張茄新， 徐小鵬， 畢小鈞， 羅震， 姜小剛

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721002）

0 引言

海洋平臺(tái)吊機(jī)屬于海洋工程領(lǐng)域特種起吊設(shè)備，安裝在海洋鉆采平臺(tái)、工程船舶、鉆井勘察船等海洋工程裝備上，是海洋工程裝備與外界物資交換的“橋梁”。其主要用來進(jìn)行維修、物資供給和人員輸送等吊運(yùn)作業(yè)，是海洋工程裝備上重要的生產(chǎn)和安全設(shè)備。

海洋平臺(tái)吊機(jī)按結(jié)構(gòu)形式主要分為將軍柱式、回轉(zhuǎn)軸承式、液缸變幅式、折臂式及懸臂式等類型。將軍柱式吊機(jī)是海洋平臺(tái)廣泛配套的類型之一，其主體采用上、下回轉(zhuǎn)軸承和將軍柱承載由吊臂傳遞的傾覆力矩，使吊臂承受的垂直載荷直接傳遞到平臺(tái)基座上；吊臂的主體部件采用桁架結(jié)構(gòu)，既減輕了自身重量，又降低了風(fēng)阻系數(shù)，使其抗傾覆和側(cè)載能力更強(qiáng)，整體穩(wěn)定性和承載可靠性更好。該類型吊機(jī)應(yīng)用前景廣闊，是國內(nèi)外研究開發(fā)的重點(diǎn),為此，本文對(duì)將軍柱式平臺(tái)吊機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹與分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

將軍柱式海洋平臺(tái)吊機(jī)主要由承載部件、動(dòng)力部件、執(zhí)行部件、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和載荷監(jiān)控系統(tǒng)組成。如圖1所示，吊機(jī)主體主要包括將軍柱、門架、轉(zhuǎn)臺(tái)、吊臂、主副吊鉤、上下回轉(zhuǎn)軸承、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、動(dòng)力機(jī)械房、控制房等部件。通過絞車卷揚(yáng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)吊鉤起升、吊臂變幅，起升絞車安裝在吊臂下臂節(jié)內(nèi)，變幅絞車安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)后部。其各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)應(yīng)滿足海洋環(huán)境下船舷內(nèi)、船舷外兩種作業(yè)工況正常安全作業(yè)。

1.2 將軍柱

將軍柱是吊機(jī)主體與平臺(tái)連接的固定部件，柱體為錐形柱狀結(jié)構(gòu)，由不同厚度鋼板卷制焊接而成。在工作時(shí)，柱體主要承受和傳遞吊機(jī)在各種工況時(shí)承受的載荷以及抵抗吊臂引起的傾覆力矩。因此其材料一般為高強(qiáng)度鋼材，可以有效抵抗傾覆力矩，及減輕整機(jī)重量，提高吊機(jī)安全系數(shù)。柱體底部通過焊接與平臺(tái)基座連接，為保證較高的圓柱度公差，焊接前在柱體底部提前制好焊接坡口。

1.3 轉(zhuǎn)臺(tái)、門架

轉(zhuǎn)臺(tái)與門架是吊機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)部件，兩部件通過高強(qiáng)度螺栓連接后套裝在將軍柱上。吊臂、動(dòng)力機(jī)械房、操作控制房分別通過銷軸連接到轉(zhuǎn)臺(tái)的前側(cè)和兩側(cè)耳座上；轉(zhuǎn)臺(tái)后部設(shè)有人員通道，尾部回轉(zhuǎn)半徑應(yīng)盡可能小，使吊機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊，占用平臺(tái)空間小。轉(zhuǎn)臺(tái)底部安裝回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)及轉(zhuǎn)臺(tái)上部件繞將軍柱作360°旋轉(zhuǎn)。門架前端安裝吊臂變幅上限位緩沖裝置，避免了變幅角度超過限定位置引起機(jī)械碰撞的安全隱患。

圖2 主鉤舷外工況有限元計(jì)算位移和應(yīng)力云圖

1.4 吊臂

吊臂采用桁架式結(jié)構(gòu)，主要采用鋼管等型鋼制成，可分成多段，各段之間通過高強(qiáng)度螺栓連接。通過各種載荷工況，應(yīng)用ANSYS軟件建立三維模型，施加各種載荷和邊界條件，通過有限元分析（圖2），結(jié)果表明在使用和停放時(shí)，吊臂頭部崩繩耳板承受較大載荷，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高該處材料性能等級(jí)，同時(shí)降低吊臂前端自身重量，滿足整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求并具有一定安全裕度。

1.5 上、下軸承

將軍柱式吊機(jī)的上、下軸承既要承擔(dān)吊機(jī)整體傾覆力矩，承受較大徑向作用載荷，又要傳遞垂直作用力，承受自重產(chǎn)生的軸向端面載荷，同時(shí)還應(yīng)具備較好的旋轉(zhuǎn)抗磨性能。為滿足以上要求，其材料可使用高強(qiáng)度尼龍，與金屬相比，質(zhì)量輕且旋轉(zhuǎn)耐磨性好；外型可設(shè)計(jì)成多瓣分體式軸套，在旋轉(zhuǎn)磨損或偏磨后更換量小，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

1.6 控制室

吊機(jī)的控制室又稱駕駛室，是整臺(tái)吊機(jī)控制操作的中樞，一般安裝在吊機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)體的中部或吊臂一側(cè)的位置，隨吊機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)體一起在工作時(shí)旋轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮整體布局、使用環(huán)境、隔音防震、功能設(shè)置、安全逃生等因素。內(nèi)部布局設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)原理，按照各種顯示器、操作器使用的頻率及重要性進(jìn)行功能區(qū)域劃分，保證操作人員工作時(shí)的便捷性和有效性；增大觀察視窗面積，具備良好的觀察視野；安裝空調(diào)、減振器，使工作環(huán)境更為舒適。

1.7 工作原理

吊機(jī)使用電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)作為主動(dòng)力，執(zhí)行元件一般采用液壓驅(qū)動(dòng)。主動(dòng)力機(jī)通過分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)油泵，向變幅、提升、回轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，分別驅(qū)動(dòng)主、副絞車、變幅絞車和回轉(zhuǎn)齒輪副，實(shí)現(xiàn)主、副吊鉤的起吊動(dòng)作，吊臂的變幅和整體回轉(zhuǎn)等主要?jiǎng)幼鳌Ｒ簤合到y(tǒng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮多個(gè)執(zhí)行部件同時(shí)工作時(shí)合理分配系統(tǒng)功率，既能滿足單個(gè)執(zhí)行部件高速動(dòng)作又可使多個(gè)執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)聯(lián)合動(dòng)作；同時(shí)設(shè)置保護(hù)回路，提高作業(yè)的安全性。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 承載曲線分析

圖3 主吊鉤舷內(nèi)、舷外承載曲線

吊機(jī)的承載曲線是在不同的海洋工況下，綜合考慮吊機(jī)各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)力、位移、極限承載能力后得出的有效工作半徑與額定工作載荷之間的關(guān)系曲線，是操作者進(jìn)行安全吊運(yùn)作業(yè)時(shí)的重要依據(jù)。依據(jù)API 2C等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析吊機(jī)舷內(nèi)、舷外各種工況，確定吊機(jī)在各種極限承載的情況下的承載能力，得出不同工作半徑對(duì)應(yīng)的綜合承載曲線（圖3）。

2.2 電控系統(tǒng)和負(fù)載檢測(cè)系統(tǒng)

電控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、中心處理單元、邏輯控制單元、顯示監(jiān)控單元組成，對(duì)主動(dòng)力機(jī)、液壓系統(tǒng)、絞車、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制。控制系統(tǒng)要具有友好的人機(jī)界面，采用高性能邏輯可編程控制器保證整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性；配置高精度負(fù)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示吊機(jī)的載荷和運(yùn)行數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)定的載荷曲線進(jìn)行報(bào)警；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對(duì)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和警報(bào)進(jìn)行記錄，便于用戶進(jìn)行故障查詢和離線分析。電控系統(tǒng)和負(fù)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作控制高度集成在吊機(jī)的控制房內(nèi)，操作人員可通過手柄和按鈕方便準(zhǔn)確地操作，實(shí)現(xiàn)吊機(jī)的各種吊運(yùn)動(dòng)作。

2.3 應(yīng)急系統(tǒng)

吊機(jī)的應(yīng)急系統(tǒng)主要功能是在吊機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障，失去主動(dòng)力或電控系統(tǒng)失效時(shí)，通過其它方式實(shí)現(xiàn)吊運(yùn)重物下放、人員應(yīng)急下放，吊臂緊急回轉(zhuǎn)復(fù)位。應(yīng)急系統(tǒng)一般通過氣控或機(jī)械操作實(shí)現(xiàn)，吊機(jī)的主鉤、副鉤和吊臂的變幅應(yīng)急下放可利用外部氣源控制氣動(dòng)泵、應(yīng)急閥打開絞車制動(dòng)實(shí)現(xiàn)；吊機(jī)的回轉(zhuǎn)應(yīng)急復(fù)位可通過氣源及蓄能器驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

2.4 吊鉤恒張力功能

吊機(jī)舷外作業(yè)時(shí)，恒張力功能可實(shí)現(xiàn)吊鉤在恒定負(fù)載的作用下同供給船以相同頻率和幅度主動(dòng)升沉，減緩海浪升沉對(duì)吊臂的沖擊載荷，提高舷外吊運(yùn)作業(yè)的安全性。吊機(jī)恒張力系統(tǒng)由信號(hào)采集器、恒張力控制閥、PLC、顯示器組成，當(dāng)信號(hào)采集器采集到負(fù)載離開供給船的時(shí)間后，PLC模擬波浪運(yùn)動(dòng)，計(jì)算分析出脫離恒張力狀態(tài)的最優(yōu)點(diǎn)，操作人員通過觀察顯示器和操作恒張力控制閥進(jìn)行吊運(yùn)作業(yè)。

2.5 回轉(zhuǎn)鎖緊保護(hù)裝置

吊機(jī)在停放狀態(tài)、拖航狀態(tài)或風(fēng)暴自存時(shí)都需要將回轉(zhuǎn)裝置鎖止，以保證吊臂不會(huì)出現(xiàn)非正常的旋轉(zhuǎn)，造成安全事故。回轉(zhuǎn)鎖緊保護(hù)裝置能實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖止和反饋動(dòng)力鎖止雙重鎖緊保護(hù)。當(dāng)?shù)鯔C(jī)停止工作需要鎖止回轉(zhuǎn)裝置時(shí)，通過將機(jī)械鎖銷插入回轉(zhuǎn)齒輪的兩齒之間，實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖止，同時(shí)鎖銷觸發(fā)傳感器，將信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，通過PLC邏輯運(yùn)算后控制液壓系統(tǒng)切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓油路，實(shí)現(xiàn)第二重鎖止。

2.6 絞車加速度控制功能

吊臂變幅和吊鉤起升通過操作控制手柄調(diào)節(jié)變副絞車和副絞車液壓控制系統(tǒng)流量實(shí)現(xiàn)，當(dāng)操作控制手柄過快時(shí)，可能出現(xiàn)速度變化過快引起的機(jī)械碰撞事故。通過電控系統(tǒng)編程，對(duì)絞車液壓控制系統(tǒng)流量變化和相應(yīng)時(shí)間的正切值進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)加速度限制功能。并設(shè)定了速度從零至最大的最短時(shí)間，防止吊臂或吊鉤快速下降引起機(jī)械碰撞或鋼絲繩亂繩現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)

將軍柱式海洋平臺(tái)吊機(jī)研制后要在專用試驗(yàn)裝置（臺(tái)）上進(jìn)行試驗(yàn)，為模擬海洋真實(shí)使用工況，試驗(yàn)裝置（臺(tái)）應(yīng)帶有前傾、側(cè)傾角度。吊機(jī)試驗(yàn)分為載荷試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)功能試驗(yàn)，載荷試驗(yàn)包括工作載荷試驗(yàn)和超載試驗(yàn)，試驗(yàn)后檢測(cè)部件變形、許用位移等，在設(shè)計(jì)預(yù)期范圍內(nèi)，則結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)合理；聯(lián)調(diào)功能試驗(yàn)包括電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、安全功能、報(bào)警記錄功能等多項(xiàng)重點(diǎn)試驗(yàn)內(nèi)容，試驗(yàn)后部件運(yùn)行正常，系統(tǒng)功能效果良好，則整機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

隨著海洋油氣工業(yè)的快速發(fā)展，海洋平臺(tái)吊機(jī)的需求將伴隨著平臺(tái)數(shù)量的增加呈上升趨勢(shì)。當(dāng)前，國外海洋平臺(tái)吊機(jī)產(chǎn)品種類多、技術(shù)水平高，但我國長期以來受自身工業(yè)基礎(chǔ)和海洋裝備整體起步晚等因素的影響，平臺(tái)吊機(jī)的整體發(fā)展速度較慢，設(shè)計(jì)水平與國外技術(shù)相比有很大的差距。故應(yīng)加快國產(chǎn)化研發(fā)制造速度，盡早擺脫國外高端技術(shù)壟斷現(xiàn)狀，使中國海洋工程裝備綜合技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。以下對(duì)海洋平臺(tái)吊機(jī)的設(shè)計(jì)和研制提出兩方面建議。

一方面，海洋平臺(tái)吊機(jī)的研制涉及多種學(xué)科，包括動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析、恒張力控制、波浪補(bǔ)償技術(shù)、高強(qiáng)度材料焊接與應(yīng)用、高集成控制系統(tǒng)、產(chǎn)品可靠性控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可對(duì)其中一項(xiàng)或多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，在掌握其先進(jìn)的研發(fā)思路和知識(shí)產(chǎn)權(quán)上加大力度，以單元技術(shù)為突破口，逐漸提升整機(jī)性能質(zhì)量，提高現(xiàn)有海洋平臺(tái)吊機(jī)的研發(fā)水平。

另一方面，隨著未來石油開采作業(yè)水深向縱深方向拓展，海洋平臺(tái)吊機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將向著惡劣工況安全性、承重載荷大噸位、控制系統(tǒng)智能化等方面不斷前進(jìn)，因此，研制適用于深海平臺(tái)（船）的大噸位吊機(jī)及高可靠性、高智能化吊機(jī)對(duì)未來我國海洋吊機(jī)裝備步入國際高端市場(chǎng)具有重要的意義。

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