楊 磊

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

隨著國內(nèi)船廠造船分段水平的提高,分段重量越來越重,原有的一些起吊設(shè)備已不能滿足使用要求,為此需要建造大型起重船來滿足生產(chǎn)的需求。

1 1 600t起重船工作狀況

1 600t起重船設(shè)計(jì)按中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》進(jìn)行,采用可變幅(在起升安全負(fù)荷范圍內(nèi))不旋轉(zhuǎn)臂架式起重機(jī)。

1 600t起重船起重系統(tǒng)布置圖如圖 1所示。

本船在使用中,主起升、副起升、變幅機(jī)構(gòu)三個機(jī)構(gòu)在任何時候都只能有一個機(jī)構(gòu)處于工作狀態(tài)。

作業(yè)工況:

①起重設(shè)備工作時,船舶處于橫傾≤5°,縱傾≤2°;

②起重設(shè)備工作時風(fēng)速不超過 20m/s,相應(yīng)風(fēng)壓不超過250Pa;

③作業(yè)于蔽遮的海域;

④臂架仰角 58°時,安全工作負(fù)荷 15 680kN (1 600t);

⑤臂架仰角 30°～65°時,副鉤安全工作負(fù)荷1 960kN(200t);

⑥臂架仰角 30°～65°時,索具鉤安全工作負(fù)荷3×98kN。

⑦本船通過拖船拖航于南京長江大橋以下的長江下游、中國海域內(nèi)的近海航區(qū)。

2 起升系統(tǒng)

本船配備主吊鉤 4套,每只主鉤安全工作負(fù)荷為3 920kN(400t),4只主鉤可同時工作,滿足起吊15 680kN(1 600t)的需要。

主鉤采用單排雙聯(lián)滑輪組,定滑輪組由 8只滑輪組成,動滑輪組由 7只滑輪組成,倍率為 2×7。每只主鉤起升由 1臺電動絞車雙滾筒驅(qū)動,絞車額定拉力為350kN,速度為14m/min,吊鉤起升速度2m/min。4只主鉤起升共配備 4臺雙滾筒電動絞車。主鉤鋼絲繩繩長 1 650m,共 4根。絞車容繩量為600m。

本船配副吊鉤1套,每只副鉤安全工作負(fù)荷為1 960kN(200t)。

副鉤采用單排雙聯(lián)滑輪組,定滑輪組由 5只滑輪組成,動滑輪組由 4只滑輪組成,倍率為 2×4。副鉤起升由 2臺電動絞車驅(qū)動,絞車額定拉力300kN,速度32m/min,吊鉤起升速度8m/min,副鉤起升共配備 2臺電動絞車。副鉤鋼絲繩繩長為1 200m,絞車容繩量為 360m。

本船配索具吊鉤 3套,每只吊鉤安全工作負(fù)荷為98kN。索具鋼絲繩通過臂架頭部的定滑輪由索具電動絞車直接拖帶,用于起重作業(yè)準(zhǔn)備工作。鋼絲繩繩長200m,絞車容繩量為100m。

3 起重臂架及安裝

本船起重臂架采用鋼管桁架焊接結(jié)構(gòu),材料為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由DH36及DH32組成。DH36及DH32主要化學(xué)成分:含碳量C≤0.18%,含錳量Mn0.9%～1.60%。DH36力學(xué)性能:屈服點(diǎn)≥355MPa,抗拉強(qiáng)度490～620MPa;DH 32力學(xué)性能:屈服點(diǎn)≥315MPa,抗拉強(qiáng)度440～570MPa。

臂架圖如圖 2所示。臂架總長約 77m,臂架下開檔為 22m,此即為臂架安裝的中心距。臂架裝配焊接后軸線撓度不超過長度的 1/1 500。

臂架頭部為整體箱形結(jié)構(gòu),其背面安裝變幅滑輪組;副鉤定滑輪組安裝于頭部最前端,4只主鉤定滑輪組安裝于臂架頭部,左右中心距約4 000mm,前后間距約4 000mm。

起吊臂架下的龍門架頂距甲板高約 20m,龍門架(起吊臂架下部)橫向中心距約為22m。

船舶尾部的千斤柱頂固定物距甲板高約為41m,橫向中心距約為22.8m。

臂架與安裝座采用銷軸連接,臂架安裝軸套內(nèi)設(shè)有銅襯套,采用油脂潤滑。

4 變幅系統(tǒng)

本船設(shè)計(jì)為起重臂架可變幅,變幅速度約0.8 m/min。變幅系統(tǒng)由以下幾部分組成:

(1)CP(a)=1,則〈a〉為P的無不動點(diǎn)自同構(gòu)群,從而G為Frobenius群,且Φ(P)=CP(a)=1,此時P初等交換群且G=.故易得其真冪圖P?(G)的連通分支數(shù):

①設(shè)于千斤柱兩側(cè)的變幅定滑輪組;

②設(shè)于千斤柱上的2只變幅平衡滑輪;

③設(shè)于起重臂架頭部的動滑輪組。

變幅系統(tǒng)鋼絲繩共 40道,共 1根,繩長5 600m。

變幅系統(tǒng)由 2臺電動絞車同時驅(qū)動,絞車額定拉力800kN,變幅絞車速度17m/min,容繩量700m。

圖2 臂架圖

5 動力配置及變頻系統(tǒng)控制

本船電動絞車動力全部由機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)組提供。起重作業(yè)時,3臺720kW主發(fā)電機(jī)組中的2臺工作,1臺備用。準(zhǔn)備作業(yè)時由 250kW輔發(fā)電機(jī)組工作提供動力。

本船所有絞車均采用電動絞車,其中 4臺主吊雙滾筒絞車、2臺副吊絞車、2臺變幅絞車、5臺定位絞車、4臺系泊絞車均采用船用變頻起重電機(jī)。變頻系統(tǒng)由設(shè)在機(jī)艙的變頻柜、制動電阻箱和駕控臺的控制裝置等組成,其工作應(yīng)滿足所有變頻起重電機(jī)絞車的不同工作要求。

在 4主鉤聯(lián)動工況下,為滿足 4主鉤均勻加載,特采用力矩環(huán)控制方案。具體方案說明如下:

在 4鉤聯(lián)動時,實(shí)時采集各主鉤的轉(zhuǎn)矩,以 1號主鉤的實(shí)時轉(zhuǎn)矩作基準(zhǔn),其余 3個鉤子的轉(zhuǎn)矩與 1號鉤的轉(zhuǎn)矩作實(shí)時比較,如果轉(zhuǎn)矩偏差值在允許范圍內(nèi),則速度給定與 1號鉤相同。如果超出允許范圍,則根據(jù)偏差大小實(shí)時調(diào)整對應(yīng)鉤子的速度,以保證所有鉤子的載荷偏差在允許范圍內(nèi)。所有主鉤的速度均經(jīng)斜坡函數(shù)發(fā)生器處理后,最終輸出到主鉤各機(jī)構(gòu)變頻器,實(shí)現(xiàn)吊重受力點(diǎn)均勻,速度斜坡平穩(wěn)加載,滿足吊重平穩(wěn)升降的要求。

6 臂架有限元模型及計(jì)算

計(jì)算采用美國MSC公司開發(fā)的MSC/NASTRAN有限元軟件,該軟件是世界上應(yīng)用最為廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件之一。通過MSC/NASTRAN的分析可確保各個零部件及整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在最合理的環(huán)境下正常工作,獲得最佳性能。

三維有限元分析的特點(diǎn)是把結(jié)構(gòu)完整地用有限元模型表達(dá)出來,能夠反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力和變形情況。臂架強(qiáng)度計(jì)算包括幅角為 58°、45°、30°和12°四個有限元模型。模型采用一般尺寸的網(wǎng)格劃分,臂架頭部和腳部結(jié)構(gòu)的各種封板、隔板和框架采用平面四邊形板單元(局部過渡區(qū)域采用三角形板單元)描述,單元大小約為臂架頭部內(nèi)支撐框架 T型材的腹板高度的 1/2。臂架桿身采用一維梁單元描述,梁單元與板單元之間通過MPC單元連接。

臂架有限元模型如圖 3所示。

圖3 臂架有限元模型圖

6.1 臂架頭部

臂架頭部的各種封板、隔板、肘板、加筋板的腹板和面板等均采用平面四邊形板單元劃分網(wǎng)格,局部連接區(qū)域采用三角形板單元以保證結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)調(diào)性。板單元的尺寸大致為加強(qiáng)筋的腹板高度的1/2。

6.2 臂架腳部

臂架腳部區(qū)域結(jié)構(gòu)采用平面四邊形板單元劃分網(wǎng)格,局部連接區(qū)域采用三角形板單元以保證結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)調(diào)性。與臂架基座連接的軸孔套管采用平面四邊形板單元描述,在左右軸孔中心位置建立獨(dú)立節(jié)點(diǎn),與套管單元節(jié)點(diǎn)之間用MPC單元綁定。

6.3 臂架桿身

臂架桿身主桿和副桿桁架采用一維梁單元描述,管節(jié)點(diǎn)之間的桿件梁單元位于主桿和副桿的軸線位置,并根據(jù)實(shí)際的圓管的截面尺寸設(shè)置梁單元的屬性。臂架桿身與頭部和腳部連接區(qū)域的結(jié)構(gòu)采用平面四邊形和三角形單元描述,梁單元與四邊形單元在管節(jié)點(diǎn)處采用MPC單元連接。

6.4 變幅滑輪架

變幅滑輪架采用平面四邊形板單元劃分網(wǎng)格,局部連接區(qū)域采用三角形板單元連接以保證結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)調(diào)性。2個立板之間的軸孔套筒采用平面四邊形板單元連接,中心處設(shè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn),并與套筒單元的節(jié)點(diǎn)采用MPC單元連接。

6.5 主吊支架

主吊支架采用平面四邊形板單元劃分網(wǎng)格,局部連接區(qū)域采用三角形板單元連接以保證結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)調(diào)性。2個主吊耳板之間的軸孔套筒采用平面四邊形板單元連接,中心處設(shè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn),并與套筒單元的節(jié)點(diǎn)采用MPC單元連接。

有限元模型的平面三角形和四邊形單元的板厚和梁單元的截面幾何屬性根據(jù)基本資料施加于相應(yīng)的單元上。

1 600t起重船臂架結(jié)構(gòu)采用的有限元模型共有21 124個節(jié)點(diǎn),368個梁單元,21 297個平面四邊形單元,762個平面三角形單元。

6.6 計(jì)算工況、載荷

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》確定了 4個計(jì)算工況,分別為:無風(fēng)工作工況、有風(fēng)工作工況、放置工況和特殊載荷工況。計(jì)算中,臂架幅角為58°時分別計(jì)算無風(fēng)工作工況、有風(fēng)工作工況和放置工況;臂架幅角為12°時計(jì)算特殊載荷工況;臂架幅角分別為 45°和 30°時計(jì)算無風(fēng)工作工況。

7 結(jié)語

該船為國內(nèi)某船廠針對其新建船塢及以后的大分段造船減少船塢的使用周期的特點(diǎn)所量身定做的大型起重船,能夠通航于 44m高度以下的各類大橋。該船現(xiàn)已建造完畢并交付業(yè)主使用,在船廠的生產(chǎn)過程中發(fā)揮了巨大的作用。