邱成國　于衛(wèi)紅　孫　福

(太原重工股份有限公司技術中心,天津　300457)

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30t液壓伸縮臂式平臺起重機總體設計及應用

邱成國于衛(wèi)紅孫福

(太原重工股份有限公司技術中心,天津300457)

摘要液壓伸縮臂式起重機，以其占用空間小、重量輕、操作靈活等特點，逐漸被船舶與海工領域廣泛使用。文章通過工程實例探討液壓伸縮臂式平臺起重機設計標準、設計方法、工作原理等關鍵技術問題，為平臺起重機的設計、分析及總裝試驗提供參考。

關鍵詞海洋平臺起重機；總體設計；結構分析；實機試驗

海洋平臺起重機(Offshore Pedestal Mounted Cranes)是一種海洋平臺裝卸貨物和吊運人員到平臺上面的起重機械，是海洋石油生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)和安全設備之一，其安全可靠性、可維修性、可抗風性及耐腐蝕性的要求很高，具有起重能力大，操縱方便，耐沖擊，制動性能好，安全可靠，對貨物的適應性好等特點，已被廣泛應用于船舶及海工領域。與陸用起重機相比，海洋平臺起重機執(zhí)行標準不同，承受的環(huán)境荷載和工作荷載更惡劣，安全性及可靠性要求更高，設計難度更大。在2005年以前世界上的海洋平臺起重機市場基本上是由歐美等少數(shù)制造業(yè)發(fā)達國家所壟斷。在亞洲，日韓企業(yè)也很少涉足，在中國，則依賴從國外進口，其價格非常昂貴。因此，積極開展海洋平臺起重機的設計及試驗研究對提高我國技術能力、實現(xiàn)平臺裝備的國產(chǎn)化具有重要意義。

液壓伸縮臂式起重機作為海洋平臺起重機之一，具有占用空間小、重量輕等優(yōu)點，已被廣泛應用于各類海洋平臺、FPSO、鋪管船、起重船以及其它工程船舶。本文以30t液壓伸縮臂式平臺起重機為例，對液壓伸縮臂式平臺起重機的設計規(guī)范、關鍵技術參數(shù)、總體設計、結構計算及實機試驗等關鍵問題進行探討。

1設計規(guī)范及主要技術參數(shù)

30t液壓伸縮臂式平臺起重機為全回轉伸縮臂式起重設備，可實現(xiàn)起升與回轉或變幅與回轉兩個運動的聯(lián)動，起升、回轉、變幅及控制部分均為液壓驅動，可承擔平臺設備在甲板上的就位、平臺大型設備維修的協(xié)助、物品的起吊等任務。海上復雜的環(huán)境荷載及防爆等特殊要求，使得海洋平臺起重機執(zhí)行標準不同，關鍵技術參數(shù)和驅動方式與陸上起重機相比也具有一定的特殊性。

1.1設計規(guī)范

30t液壓伸縮臂式船用起重機的設計、制造、安裝、檢驗和驗收參照以下標準：

API 2C 《Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes》

CCS 《Rules for lifting appliances of ships and offshore installations 》

1.2主要技術參數(shù)

技術參數(shù)是起重機工作的性能指標，也是設計的依據(jù)，主要包括起重量、工作幅度、起升高度、工作速度及回轉速度等，30t液壓伸縮臂式平臺起重機的主要設計參數(shù)如下：

最大額定起重量：30t

安全負載 ：30t@4m；15t@7m；10t@10m，1.0t@36m；

最大工作半徑 ：36m；

最小工作半徑 ：4m；

起升高度 ：安裝座以上40m，安裝座以下20m；

起升速度 ：0～10m/min；

變幅時間(平均) ：100s；

變幅角度 ：0～74.5°；

回轉范圍 ：360°全回轉；

回轉速度 ：0.9rpm；

動力方式 ：柴油液壓；

最大傾覆力矩 ：400TM；

動載系數(shù) ：1.15；

最大橫傾角/縱傾角 ：5°/2°；

吊機總重 ：約33t ；

環(huán)境條件：濕度：95%；工作環(huán)境溫度 ：0℃～+50℃；

設計風速：工作狀態(tài)：13.8m/s； 停泊狀態(tài)：30m/s；

起重機工作級別：機構級別：M3-L2-T3，整機級別：A3-Q2-U3

電源：柴油液壓泵站的柴油機帶發(fā)電機為吊機提供DC24V控制電源

作業(yè)條件：船舶橫傾小于5°，縱傾小于2°，風力小于蒲氏六級。

2總體設計及工作原理

2.1結構設計

吊機結構部分主要由筒體、回轉體、吊臂等三部分組成，鋼結構設計、制造嚴格按照規(guī)范中相關要求，并考慮運輸和安裝方便。

筒體為圓筒形焊接結構，用來承擔起重機的全部正壓力和傾覆力矩，上部法蘭面與回轉支承連接，下部與船體結構連接，筒體與回轉體間裝有電液滑環(huán)，并設有一個供安裝和維護用的孔。

回轉體是由鋼板焊接而成的箱形結構，具有強度高、制作簡單等優(yōu)點?；剞D體下部法蘭面用來連接回轉支承，上部支承用來與吊臂連接。前面支承用來與變幅油缸連接。

吊臂采用伸縮臂結構，由1節(jié)基本臂和2節(jié)伸縮臂構成，每節(jié)伸縮長度為11m，可通過操作臺上的手動上下油缸切換閥來控制伸縮臂的伸縮，達到需要的臂長及幅度，全部伸出頂部距臂架鉸點為36.6m；滿足最大幅度36m的設計要求；每節(jié)臂架端部有鋼絲繩防磨襯板；頭部為滑車組，根部與回轉體上的銷軸聯(lián)接。吊臂上還裝有角度傳感器、重量傳感器、長度傳感器等安全裝置。

2.2機構設計

吊機機構部分主要由起升絞車、回轉機構、變幅機構、臂架伸縮機構等四部分組成。

起升絞車安裝在回轉體后方，其傳動裝置由液壓馬達、剎車、行星減速器、卷筒、機架等組成。制動器在起升絞車不工作時，摩擦片受彈簧力作用處于制動狀態(tài)；工作時借助壓力油使彈簧壓縮，摩擦片放松，解除制動狀態(tài)。卷筒一端安裝卷揚減速機，一端安裝軸承座裝置，液壓馬達在壓力油作用下帶動卷揚機旋轉，從而通過鋼絲繩實現(xiàn)吊鉤的上升或下降。采用起升絞車內(nèi)置減速器方案，由于構上減少了摩擦損失，提高了密封性能，因此具有穩(wěn)定性好，傳動效率高，噪音低的特點。

回轉機構安裝在回轉體上，其傳動裝置由液壓馬達、剎車、行星減速器、小齒輪、回轉支承等組成?；剞D支承能同時承受軸向力和傾覆力矩等復雜載荷，小齒輪與回轉支承的內(nèi)齒圈相配合，驅動回轉支承作任意方向的回轉運動。其工作平穩(wěn)，制動可靠。本起重機選用三排滾柱內(nèi)齒式回轉支承，其內(nèi)、外圈之間還設有防塵圈，可防止灰塵等細小顆粒侵入滾珠軌道?；剞D支承的內(nèi)圈固定在筒體上，外圈則固定在回轉體上，其與回轉體及筒體連接的螺栓均采用經(jīng)過熱浸鋅處理的高強度螺栓，性能等級為10.9級。

變幅機構采用油缸變幅。變幅油缸是雙作用單活塞缸，活塞桿外圓表面經(jīng)鍍鉻處理并拋光而成，硬度和光潔度都很高，且能防止銹蝕，油缸兩端連接處均帶關節(jié)軸承，通過液壓力推動活塞桿作兩個方向的往返運動，即可實現(xiàn)吊臂的起落。隨著活塞桿的往返運動，可使吊臂在0°～74.5°之間運動。

臂架伸縮機構為非工作機構，即不允許帶載伸縮。它由2只伸縮油缸、安全閥組及順序閥組等組成；油缸通過鉸接與內(nèi)外臂相連，通過不同油缸的伸縮以實現(xiàn)伸縮臂臂架的伸縮，臂架水平狀態(tài)時2只油缸全部伸展后，滿足最大幅度36m的設計要求。

2.3結構分析

結構強度分析的難點是工況選取和組合、荷載計算和施加。海洋平臺起重機結構分析應根據(jù)額定載荷曲線，選取不同起重量-幅度的工況進行分析，分析時應充分考慮風浪等環(huán)境荷載、整機自重荷載、船舶傾斜帶來的慣性荷載、機構啟動及制動引起的動力荷載等。

對于本吊機，選取30t-4m、15t-7m、10t-10m、1t-36m等工況進行分析，通過計算，起重機最不利工況為10t-10m，吊臂全部伸出時的狀態(tài)，圖1～圖3分別為最不利工況下筒體、回轉體、吊臂的有限元分析結果。筒體主要承受壓力和傾覆力矩，為壓彎構件，從圖1中可以看出，筒體一側為正壓應力和彎曲壓應力的組合區(qū)域，為高應力區(qū)，設計時應考慮人孔/工藝孔等大開孔結構的加強?；剞D體也主要承受壓力和傾覆力矩，從圖2中可以看出，回轉體法蘭、吊臂安裝一側區(qū)域、與吊臂及變幅油缸連接耳板為高應力區(qū)域，設計時應重點加強。伸縮臂受風荷載、吊物重力、偏擺力、慣性力及變幅油缸作用力的耦合作用，其應力狀態(tài)較復雜，如圖3所示，臂架最大應力出現(xiàn)在變幅油缸作用位置，除此之外，臂架鉸軸處及臂架頭起升滑輪安裝處也為高應力區(qū)，設計過程中應給予重視。

圖1　筒體有限元分析結果

圖2　回轉體有限元分析結果

2.4機構選型

圖3　伸縮臂有限元分析結果

起升機構是驅動重物起升或下降的機構，需克服吊具及重物重量、環(huán)境荷載引起的偏擺力及重物的動力效應等工作荷載；變幅機構是驅動吊臂俯仰的機構，需克服吊臂及重物重量、作用在吊臂上的環(huán)境荷載及慣性荷載等工作荷載；回轉機構將驅動整個上部結構在回轉支撐裝置上做360°全回轉，其工作荷載是由回轉支撐裝置摩擦阻力矩、平臺傾斜引起的回轉阻力矩、風壓引起的阻力矩、回轉慣性引起的回轉阻力矩組成的回轉阻力矩?？紤]平臺防爆要求，各機構均采用液壓驅動。根據(jù)吊機額定工況，計算各機構設備參數(shù)如下：

(1) 起升機構

卷筒直徑：510mm；

起升鋼絲繩直徑：22mm；

液壓馬達參數(shù)：壓力：250bar、流量：204L/min、轉速：2870rpm，1臺；

減速機速比：119.8，1臺

(2) 變幅機構

活塞缸直徑：280mm；

活塞桿直徑：250mm；

額定工作壓力：220bar

數(shù)量：1只

(3) 回轉機構：

回轉大齒圈型號：133.25.1800三排滾柱式回轉支承；

液壓馬達參數(shù)：壓力：250bar、流量：60L/min、轉速：1200rpm，2臺；

減速機機速比：148，2臺

(4)伸縮機構：

活塞缸直徑：180mm；

活塞桿直徑：160mm；

額定工作壓力：220bar

數(shù)量：2只

3實機試驗

吊機的實機試驗主要包含以下步驟：試驗前的準備；空載試驗；額定載荷試驗；超載動載試驗；超載靜載試驗；連續(xù)運行試驗，在前一步工作符合要求后，方可進行下一步。

空載試驗時起升機構以額定速度空載升降3次；變幅機構以額定速度從0°～74.5°或從74.5°～0°增幅/減幅3次；回轉機構以伸縮臂在0°和74.5°兩個極限位置以額定速度左右回轉3次；伸縮機構以伸縮臂在0°和74.5°兩個極限位置反復伸縮3次；上述各機構試驗正常后，分別進行回轉-起升、回轉-變幅的聯(lián)動試驗，先低速進行1次，再以額定速度進行3次。

額定載荷試驗前，先做2/3額定載荷下試運轉，消除制造過程中可能產(chǎn)生的殘余應力及安裝間隙，再進行如下額定載荷試驗：吊起額定載荷，以額定速度升降3次；吊起額定載荷，起升至適當高度，回轉機構以1/2額定速度左右回轉1次，然后以額定速度左右回轉3次；吊起額定載荷，起升至適當高度，變幅機構以1/2額定速度增幅/減幅1次，然后以額定速度增幅/減幅3次。上述各機構試驗正常后，分別進行回轉-起升、回轉-變幅的聯(lián)動試驗，先低速進行1次，再以額定速度進行3次。

以1.1倍額定起重量做超載動載試驗，各機構分別獨立緩慢進行，對起升、回轉、變幅進行制動試驗，試驗時間為1h。之后以1.25倍額定起重量，做超載靜載試驗。最后進行時長為8h的連續(xù)運行試驗，保證各機構連續(xù)作業(yè)的能力。

經(jīng)過實機試驗，各項性能指標均滿足設計要求。

4結語

綜上所述，30t液壓伸縮臂式平臺起重機為360°全回轉起重機，主要由筒體、回轉體、液壓伸縮臂(三節(jié))、起升系統(tǒng)、回轉機構、變幅機構等組成，適用于各類平臺、工程船舶.安裝于平臺、船舶甲板上，可實現(xiàn)起升與回轉或變幅與回轉聯(lián)合作業(yè)，最大起重量30t，最大工作半徑36m，可實現(xiàn)安裝座以上40m、安裝座以下20m范圍內(nèi)起升。本文僅以30t液壓伸縮臂式平臺起重機為例，對平臺起重機的設計規(guī)范、關鍵技術參數(shù)、總體設計、結構分析、機構選型及實機試驗步驟等關鍵問題進行了闡述，為平臺起重機的設計、分析及總裝試驗提供參考。

參考文獻

1API 2C, Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes[S]. API, 2012

(責任編輯：譚銀元)

2Rules for lifting appliances of ships and offshore installations[S]. CCS, 2012

Brief Introduction on the Designing of 30t Hydraulic

Offshore Telescope Crane

QIU Cheng-guo,YU Wei-hong,SUN Fu

( The Technology Center of TZ, Tianjin 300457,China)

Abstract:Crane with hydraulic telescopic arm is widely used in shipping and maritime engineering because it is compact, light in weight and flexible in operation. Based on case study, this essay discusses the designing standard, designing method, and working process of hydraulic offshore telescope crane, with a view to providing reference for the designing, problems analysis and assembly test.

Key words:offshore crane; general designing; structure analysis; test

作者簡介：邱成國,主要從事機械設計與制造方面的研究工作。

收稿日期：2014-10-18

中圖分類號U674.38

文獻標志碼A

文章編號1671-8100(2015)02-0022-04