孟凡皓，于波

連云港杰瑞自動化有限公司，江蘇 連云港 222006

天然氣是綠色、環(huán)保、安全、高效的清潔能源，近年來在我國能源消費結(jié)構(gòu)中的比例不斷提升[1]。受產(chǎn)能限制，我國需要大量進口天然氣以滿足國內(nèi)消費需求[2-3]。采用液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）方式進口天然氣的運輸成本僅為管道輸氣的1/7 左右，是當前補充國內(nèi)天然氣需求缺口最有效、最經(jīng)濟的方法。

LNG 卸料臂是LNG 接收站碼頭上最為核心的設(shè)備，當LNG 運輸船完成靠泊作業(yè)后，LNG卸料臂運行至LNG 運輸船集管法蘭位置并通過前端快速裝置進行連接，從而建立起LNG 運輸船與LNG 接收站儲罐間的輸送通路[4-5]。在LNG 裝卸過程中，LNG 卸料臂可隨船自由浮動，滿足不同潮位時船體晃動、漂移情況下LNG 的安全裝卸。

配重平衡系統(tǒng)是LNG 卸料臂的關(guān)鍵核心系統(tǒng)之一，其性能直接影響整機工作的安全可靠性[6-11]。通過配重平衡設(shè)計，LNG 卸料臂可在運動的各個位置保持自平衡，從而降低運動過程所需驅(qū)動力，減少對LNG 運輸船集管法蘭的作用力，同時可在動力失效情況下保持在靜止平衡狀態(tài)，防止安全事故發(fā)生[12]。

配重平衡系統(tǒng)主要有以716 所杰瑞、SVT 等公司為代表的單配重形式和以FMC 公司為代表的雙配重形式。國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在單配重平衡系統(tǒng)上，主要分析了LNG 卸料臂單配重平衡系統(tǒng)的設(shè)計要求等[6,13]；對于雙配重平衡系統(tǒng)鮮有涉及，同時缺乏原理性、系統(tǒng)性和配平程序方面的研究。本文通過理論建模，從靜力學角度分析了單配重和雙配重2 種配重系統(tǒng)的平衡機理，并針對2 種配重平衡系統(tǒng)分析了配平程序、整體質(zhì)量、配重質(zhì)量偏差以及鋼絲繩彈性變形等幾個方面對配重平衡的影響，對工程應用中LNG 卸料臂的配重系統(tǒng)選擇和設(shè)計提供一定指導作用。

1 LNG 卸料臂配重平衡原理

LNG 卸料臂主體結(jié)構(gòu)由立柱、耳軸箱、內(nèi)臂、外臂、配重5 大部分組成，通過液壓驅(qū)動實現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)、內(nèi)臂俯仰和外臂俯仰運動。LNG 低溫管路系統(tǒng)支撐在主體結(jié)構(gòu)上，在主體結(jié)構(gòu)各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處，LNG 低溫管路系統(tǒng)同軸設(shè)有旋轉(zhuǎn)接頭，實現(xiàn)連接管段處的動態(tài)密封。LNG 低溫管路前端通過旋轉(zhuǎn)接頭連接三維接頭，通過設(shè)計使三維接頭前端對接面在重力作用下保持在豎直狀態(tài)，即三維接頭重心過旋轉(zhuǎn)接頭的轉(zhuǎn)動中心。LNG 配重平衡的原理就是通過調(diào)整配重的質(zhì)量和位置，使LNG 卸料臂內(nèi)臂、外臂在工作的各個位置保持在力矩平衡狀態(tài)[6,13-14]。

1.1 單配重平衡原理

如圖1 所示，配重通過回轉(zhuǎn)支承連接在內(nèi)臂尾部，外臂通過回轉(zhuǎn)支承連接在內(nèi)臂的前部，配重和外臂通過鋼絲繩傳動實現(xiàn)同步平行轉(zhuǎn)動。假設(shè)鋼絲繩長度不會發(fā)生變化，則理論上配重與內(nèi)臂之間的夾角α和外臂與內(nèi)臂之間的夾角β始終保持相同。

圖1 單配重平衡系統(tǒng)原理

單配重平衡的機理為通過調(diào)整配重的質(zhì)量（增減配重塊）和安裝位置（配重沿配重梁上下移動），使得配重與外臂繞各自轉(zhuǎn)動中心的力矩大小相等、方向相反，即M1=M2；內(nèi)臂繞其轉(zhuǎn)動中心的總力矩為0，即M3=M4[15]。

1.2 雙配重平衡原理

如圖2 所示，雙配重平衡在單配重平衡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在內(nèi)臂后端增加了配重2，雙配重平衡的機理為通過調(diào)整配重1 的質(zhì)量（增減配重塊）和安裝位置（配重沿配重梁上下移動）使得配重1 與外臂繞各自轉(zhuǎn)動中心的的力矩大小相等、方向相反，即=；通過調(diào)整配重2 的質(zhì)量使內(nèi)臂繞其轉(zhuǎn)動中心的總力矩為0，即=。

圖2 雙配重平衡系統(tǒng)原理

2 配重平衡系統(tǒng)建模分析

2.1 單配重平衡系統(tǒng)分析

建立單配重平衡系統(tǒng)計算模型，通過前文1.1 節(jié)分析可知，理論上配重與內(nèi)臂之間的夾角α和外臂與內(nèi)臂之間的夾角β始終保持相同，由此可以推出配重與豎直線之間的夾角和外臂與豎直線之間的夾角大小相同，并將該角度設(shè)為γ，則內(nèi)臂與豎直線之間夾角θ=α-γ，如圖3 所示。

圖3 單配重平衡系統(tǒng)計算模型

對單配重平衡系統(tǒng)各轉(zhuǎn)動部分進行力矩計算，可得：

當內(nèi)外臂保持平衡，即M1=M2、M3=M4時，經(jīng)推導可得：

將式（1）代入式（2），可進一步得出：

分析可得，當滿足式（1）和式（3）時，可實現(xiàn)LNG 卸料臂配重系統(tǒng)平衡，系統(tǒng)平衡與運動位置和轉(zhuǎn)動角度無關(guān)，即當系統(tǒng)在任一位置平衡時，就可實現(xiàn)在各個運動位置保持平衡。

2.2 雙配重平衡系統(tǒng)分析

參照單配重平衡系統(tǒng)，建立雙配重平衡系統(tǒng)計算模型，如圖4 所示。

圖4 雙配重平衡系統(tǒng)計算模型

對雙配重平衡系統(tǒng)各轉(zhuǎn)動部分進行力矩計算，可得：

當內(nèi)外臂保持平衡，即M1=M2、M3=M4時，經(jīng)推導可得：

將式（4）代入式（5），可進一步得出：

分析可得，與單配重平衡系統(tǒng)相同，當滿足式（4）和式（6）時，可實現(xiàn)LNG 卸料臂配重系統(tǒng)平衡，系統(tǒng)平衡與運動位置和轉(zhuǎn)動角度無關(guān)。

3 單、雙配重系統(tǒng)對比分析

3.1 配平程序?qū)Ρ?/h3>

根據(jù)碼頭水文參數(shù)、適配船型及工作包絡范圍，可確定LNG 卸料臂內(nèi)臂前端長度l1和外臂長度l4，內(nèi)臂前端質(zhì)量及重心位置、外臂質(zhì)量及重心位置和以及三維接頭質(zhì)量隨之確定，即轉(zhuǎn)動力矩M3、M4數(shù)值確定，在三維設(shè)計軟件中，通過更改內(nèi)臂后端長度l2、配重塊質(zhì)量和配重塊安裝位置等，使單配重系統(tǒng)滿足式（1）和式（3），雙配重系統(tǒng)滿足式（4）和式（6），即可完成LNG 卸料臂配重平衡系統(tǒng)設(shè)計。

通過前文分析可知，系統(tǒng)平衡與運動位置和轉(zhuǎn)動角度無關(guān)，因此可通過特殊位置配平提高配重平衡系統(tǒng)的設(shè)計效率。顯而易見，內(nèi)臂豎直、外臂水平和內(nèi)臂水平、外臂豎直是LNG 卸料臂運動過程中的2 個特殊位置。

以單配重平衡系統(tǒng)設(shè)計為例，當θ=90°、γ=0°時，卸料臂內(nèi)臂處于水平位置、外臂處于豎直位置，如圖5 所示。此時，配重塊質(zhì)量對外臂平衡沒有影響，可通過增加或減少配重塊數(shù)量完成內(nèi)臂配平。

圖5 卸料臂內(nèi)臂水平、外臂豎直狀態(tài)

當θ=0°、γ=90°時，卸料臂外臂處于水平位置、內(nèi)臂處于豎直位置，如圖6 所示。此時，通過調(diào)整配重塊在配重梁上的位置，可完成外臂配平，同時因未改變配重塊質(zhì)量，內(nèi)臂平衡不受影響。

圖6 卸料臂外臂水平、內(nèi)臂豎直狀態(tài)

同理，雙配重平衡系統(tǒng)可采用與單配重平衡系統(tǒng)相似的步驟和方法，在內(nèi)臂配平時，因有兩處可進行配重調(diào)節(jié)，配重設(shè)計更加靈活。

3.2 整體重量對比

當碼頭水文參數(shù)、適配船型及工作包絡范圍確定后，LNG 卸料臂立柱高度及質(zhì)量，內(nèi)臂前端質(zhì)量、長度及重心位置，外臂質(zhì)量、長度及重心位置和三維接頭質(zhì)量也隨之確定，卸料臂整體質(zhì)量主要受配重質(zhì)量和內(nèi)臂后端質(zhì)量影響。

以某LNG 卸料臂工程項目為例，根據(jù)LNG卸料臂包絡線（工作范圍）設(shè)計，得立柱質(zhì)量8 t，內(nèi)臂前端質(zhì)量m1=8 t，外臂質(zhì)量m4=4 t，三維接頭質(zhì)量m5=3.4 t，內(nèi)臂前端長度L1=9.5 m，內(nèi)臂前端重心至回轉(zhuǎn)中心距離=5 m，外臂長度L4=11.5 m，外臂重心至回轉(zhuǎn)中心距離=3.88 m。

按3.1 節(jié)中的配平程序，通過三維設(shè)計軟件，可得單配重平衡系統(tǒng)=2.6 m、L2=4.65 m、m2=5 t、m3=21 t、LNG 卸料臂總質(zhì)量為49.4 t；雙配重平衡系統(tǒng)=2.75 m、=2.875 m、=8 t、=19 t、LNG 卸料臂總質(zhì)量為50.4 t。單配重平衡系統(tǒng)質(zhì)量更輕，本例中約輕2%。

3.3 配重質(zhì)量偏差影響對比

實際工程應用中，配重塊的質(zhì)量與理論設(shè)計值將存在一定偏差，設(shè)配重偏差為 Δm，則對單配重平衡系統(tǒng)，根據(jù)式（1）和式（3）可得單配重平衡系統(tǒng)中外臂、內(nèi)臂的不平衡力矩分別為

對雙配重平衡系統(tǒng)，假設(shè)配重1 和配重2 實際值與理論值偏差為 Δm，根據(jù)式（4）和式（6），可得雙配重平衡系統(tǒng)中外臂、內(nèi)臂的不平衡力矩分別為

根據(jù)式（7）～（10）可知，單配重和雙配重平衡系統(tǒng)均有當配重塊質(zhì)量與理論設(shè)計值存在偏差時，外臂、內(nèi)臂平衡同時被打破，其中外臂不平衡力矩與外臂與豎直線之間的夾角γ相關(guān)，當外臂處于豎直狀態(tài)時，外臂平衡，γ角度越大，外臂不平衡力矩越大；內(nèi)臂不平衡力矩與內(nèi)臂與豎直線之間的夾角θ、外臂與豎直線之間的夾角γ均相關(guān)，且不存在內(nèi)臂平衡狀態(tài)。

根據(jù)3.2節(jié)中=2.6 m、=2.785 m、L2=4.65 m、=2.75可 知：＜，ΔMo>Δ，說明相同質(zhì)量偏差下，雙配重平衡系統(tǒng)外臂不平衡力矩更大；L2>，說明在不同位置、相同質(zhì)量偏差下，單配重平衡系統(tǒng)和雙配重平衡系統(tǒng)不平衡力矩大小關(guān)系不同，本例中單配重平衡系統(tǒng)不平衡力矩最大為雙配重平衡系統(tǒng)不平衡力矩的1.79 倍（θ=90°、γ=0°）。

3.4 鋼絲繩彈性變形影響對比

本文1.1 節(jié)中提到，在鋼絲繩長度不發(fā)生變化時，配重與內(nèi)臂之間的夾角和外臂與內(nèi)臂之間的夾角始終保持相同。但實際情況下，鋼絲繩在受力時會發(fā)生彈性變形，此時會導致配重與內(nèi)臂之間的夾角大于外臂與內(nèi)臂之間的夾角，設(shè)角度偏差為 Δγ。同時為防止鋼絲繩受力后發(fā)生永久形變，在鋼絲繩安裝前需在最大作用力下進行預拉伸。

當θ=0°、γ=90°時（如圖6 所示），外臂及三維接頭重力作用點距離回轉(zhuǎn)中心力臂最大，鋼絲繩所需提供的驅(qū)動扭力矩最大，即鋼絲繩受力最大，將3.2 節(jié)中的案例參數(shù)（鋼絲繩傳動力臂為r=1.5 m）代入可得，單配重和雙配重系統(tǒng)的鋼絲繩最大作用力相同，均為

設(shè)2 種配重平衡系統(tǒng)采用52 mm 鋼絲繩，通過拉力機對鋼絲繩延伸率進行測試，如圖7 所示。測試結(jié)果表明，在36.4 kN 力作用下，鋼絲繩延長約為 Δl=6 mm。對單配重和雙配重系統(tǒng)均有

圖7 鋼絲繩拉力測試

由三角函數(shù)可得，當Δγ 很小時，sin(γ+Δγ)≈sinγ，鋼絲繩彈性形變對配重平衡系統(tǒng)影響很小。

4 結(jié)論

本文通過對LNG 卸料臂單配重平衡系統(tǒng)和雙配重平衡系統(tǒng)進行建模和對比分析，得出結(jié)論如下：

1）LNG 卸料臂配重平衡與運動位置和轉(zhuǎn)動角度無關(guān)，可通過內(nèi)臂豎直、外臂水平和內(nèi)臂水平、外臂豎直2 個特殊位置配平提高配重平衡系統(tǒng)的設(shè)計效率；

2）單配重和雙配重在配平程序、配重質(zhì)量偏差影響、鋼絲繩彈性變形影響方面具有很強的相似性，單配重平衡系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量更輕的優(yōu)點。