劉璧鉞 吳慧敏 邵武豪 金 楊

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

0 引 言

船舶運輸具有載貨量大、運價低等優(yōu)點，適合于運輸各類大宗貨物和大型設(shè)備。在現(xiàn)代物資流通領(lǐng)域內(nèi)，船舶運輸仍然是不可替代的運輸方式之一。隨著世界經(jīng)濟一體化的進展，各國經(jīng)濟互補性日益增強，國際貿(mào)易的迅猛發(fā)展給船舶運輸帶來了巨大的發(fā)展空間。

船舶一般都會配備船用起重機，用于進行各種吊運作業(yè)。船用起重機型式多樣、起重量大、操作性能優(yōu)良、用途極其廣泛，幾乎涵蓋了各類船舶和各種船型，是現(xiàn)代船舶不可或缺的重要配套設(shè)備之一。

然而，在船舶上布置起重機有諸多不便，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）起重機的位置需滿足其實際作業(yè)需求和用途，這將直接影響其使用效果；

（2）起重機會占用極其有限的甲板空間，并影響到其他船用設(shè)備或舾裝件的布置；

（3）起重機高度較高、吊臂回轉(zhuǎn)半徑較大，吊臂和吊鉤可能會同船舶上建或者其他設(shè)備、設(shè)施發(fā)生干涉；

（4）起重機自重較大，其在船舶上的位置會對船舶性能產(chǎn)生較大影響。

綜上所述，船用起重機的位置影響其自身的使用效果與船舶性能，并且直接關(guān)系到船上其他建筑、設(shè)備的布置與使用。因此，確定一個合適的位置對改善起重機的使用效果、提升起重機的作業(yè)效率、有效利用船上空間、優(yōu)化船舶總體布局以及增進船舶性能具有重要意義。

然而，現(xiàn)階段專家學(xué)者或科研機構(gòu)對船用起重機布置的研究較少，也未有人全面系統(tǒng)地對船用起重機選型與布置的原則、流程及注意事項進行梳理與總結(jié)。

船用起重機布置的一大重點就是防范起重機與船上其他建筑和設(shè)備、設(shè)施發(fā)生干涉，而現(xiàn)有的二維設(shè)計方法對干涉的檢查較為困難，尤其在高度方向上很難檢查出干涉情況。運用三維建模技術(shù)，將起重機放置在以船舶為背景的三維環(huán)境中，則能清晰地發(fā)現(xiàn)起重機與船上其他建筑和設(shè)備是否存在干涉。

本文以船用起重機為研究對象，通過明確起重機的選型與布置原則、梳理起重機的選型與布置流程、總結(jié)起重機三維布置審查要點，規(guī)范三維校審流程，旨在指導(dǎo)不熟悉船用起重機的技術(shù)人員。基于文中所述布置方法，技術(shù)人員能快速確定起重機的位置，同時利用CATIA 三維設(shè)計軟件，在三維環(huán)境中快速檢查起重機的干涉情況，驗證起重機位置的合理性。

本文以2 000 t 自升自航式一體化海上風(fēng)電安裝平臺項目為依托，基于船上的雜物吊，著重分析變幅回轉(zhuǎn)類型起重機的模型簡化、選型和布置原則及流程。

1 起重機簡化模型

在進行起重機布置工作之前，應(yīng)當(dāng)根據(jù)變幅回轉(zhuǎn)起重機的主要尺寸參數(shù)，建立簡化的起重機模型。

變幅回轉(zhuǎn)式起重機主要由底座、塔身和吊臂三大部分構(gòu)成，同時具備變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)。變幅過程通過改變吊臂的長度或俯仰角完成，回轉(zhuǎn)過程通過驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動塔身和吊臂旋轉(zhuǎn)完成。因此，變幅回轉(zhuǎn)式起重機的主要尺寸參數(shù)包括：底座高度、底座截面尺寸、塔身高度、塔身截面尺寸、起重機總高度、吊臂截面尺寸、最大工作半徑和最小工作半徑。

基于上述主要尺寸參數(shù)，建立變幅回轉(zhuǎn)起重機的簡化三維模型示意圖，如下頁圖1 所示。 本文中，變幅回轉(zhuǎn)起重機的塔身和底座簡化為圓柱體，吊臂簡化為四方體，坐標原點位于起重機最底端回轉(zhuǎn)中心，X 軸指向船首、Y 軸垂直向上、Z軸指向右舷。

圖1 起重機三維簡化模型

通過上述主要尺寸參數(shù)，建立出簡化的起重機模型，隨后結(jié)合船舶三維背景，開展起重機的位置校審工作。

2 起重機選型原則及方法

2.1 起重機選型原則

船用起重機在選型時，一般遵循以下原則：

（1）起重機用途及功能

這是起重機選型首要考慮的因素。起重機一般包括用于貨船和集裝箱船的貨物吊機、用于油船輸油管的軟管吊機、用于各類船舶的雜物吊機、用于海洋工程作業(yè)船舶的吊機、用于漁船的起網(wǎng)吊機以及其他專用吊機等，而即使是在同一艘船上，不同吊機的用途和起吊對象也不盡相同，因此起重機選型需考慮不同的用途和功能。此外，需進行舷外和舷內(nèi)作業(yè)的就需設(shè)置回轉(zhuǎn)式起重機，需要在高度變化較大的范圍內(nèi)吊運貨物的就需設(shè)置變幅式起重機。另外，所吊貨物重量決定了吊機的安全工作負荷，如要大范圍吊運貨物，則需要工作半徑較大的起重機。

（2）船舶主尺度和布置情況

船舶的大小和重量限制了起重機的大小和重量，船舶甲板空間的富裕程度也決定了起重機的工作范圍和存放形式。如果船舶甲板空間較為緊張，優(yōu)先考慮能在較小空間內(nèi)存放的折臂式或伸縮式起重機。

（3）起重機驅(qū)動方式

目前起重機常見的驅(qū)動形式有電動機驅(qū)動和電動液壓驅(qū)動。電動液壓驅(qū)動輸出扭矩大且可調(diào)。其能夠在運行過程中實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速、緩沖平衡性好、可吸收沖擊和防止過載、運動慣性小、響應(yīng)速度快，故其適用于低轉(zhuǎn)速、高功率的場合。電動機驅(qū)動的輸出扭矩較小，需安裝變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，而變頻電機在改變轉(zhuǎn)速時扭矩變化很大：低轉(zhuǎn)速時扭矩顯著降低，啟動時扭矩極??；若加大啟動扭矩，就必須加大功率，但由此也會對設(shè)備造成較大沖擊，故其適用于高轉(zhuǎn)速、低功率的場合。因此，需根據(jù)實際情況和船東需求選擇起重機的驅(qū)動方式。

2.2 起重機主要參數(shù)

基于2.1 節(jié)的起重機選型原則，得到起重機選型時的幾個主要參數(shù)：

（1）吊臂型式：普通吊臂、折臂式吊臂、伸縮式吊臂或折臂+伸縮式吊臂等；

（2）驅(qū)動形式：電動液壓驅(qū)動、電動機驅(qū)動等；

（3）安全工作負荷；

（4）最大/最小工作半徑；

（5）回轉(zhuǎn)范圍；

（6）起升速度/回轉(zhuǎn)速度/變幅速度；

（7）重量及收存體積等參數(shù)。

2.3 起重機選型方法

基于起重機的選型原則和主要參數(shù)，歸納出起重機選型的主要方法：

（1）吊臂型式。確定吊臂型式時，需要考慮起重機的工作范圍和收存體積，如果工作范圍較大且收存體積要求較小，則首要考慮折臂式、伸縮式或折臂+伸縮式起重機。

（2）驅(qū)動形式。在考慮驅(qū)動形式時依據(jù)具體工況和船東要求決定，目前較多使用電動液壓驅(qū)動形式。

（3）安全工作負荷。依據(jù)所吊貨物的最大重量確定安全工作負荷，安全工作負荷一般不小于所吊貨物的最大重量。

（4）最大/最小工作半徑。最小工作半徑不大于吊機回轉(zhuǎn)中心到最近端貨艙口近邊角隅處的距離；最大工作半徑不小于吊機回轉(zhuǎn)中心到最遠端貨艙口遠邊角隅處的距離，以此保證吊機在裝卸作業(yè)時，吊鉤工作區(qū)域能夠覆蓋整個貨艙口區(qū)域，且能滿足吊臂伸出舷外或吊運舷外貨物的距離要求。

（5）回轉(zhuǎn)范圍。保證吊機在作業(yè)時不與船上其他設(shè)備或上層建筑干涉。

（6）起升速度、回轉(zhuǎn)速度、變幅速度、重量和收存體積等參數(shù)。根據(jù)船上空間、船上布置情況、船舶性能要求、船東要求及設(shè)備廠吊機的系列參數(shù)確定。

3 起重機布置原則及流程

3.1 起重機布置原則

布置船用起重機時，最終的位置往往由諸多因素共同決定，需考慮以下原則：

（1）起重機的用途和功能直接決定了起重機布置的大致區(qū)域。例如：需進行舷外作業(yè)的起重機應(yīng)考慮將其布置在船舶舷側(cè)；若所吊貨物位于船舶兩側(cè)，應(yīng)考慮將起重機布置在船舶中線處；用于專門吊運特定類型貨物的起重機應(yīng)布置在相應(yīng)貨艙口附近。綜上所述，起重機的工作范圍應(yīng)能完全覆蓋吊運作業(yè)所要求的區(qū)域，能夠滿足其作業(yè)需求和用途。

（2）起重機的最大工作半徑與起重機回轉(zhuǎn)中心距最遠端貨艙口的距離。起重機的位置應(yīng)保證其最大工作半徑能夠覆蓋最遠端的貨艙口，且能滿足吊臂伸出舷外或吊運舷外貨物的距離要求，一般吊臂的舷外吊距≥3.5 m。

（3）船舶性能要求需與總體專業(yè)協(xié)商。布置起重機時應(yīng)考慮起重機對船舶重量、重心及穩(wěn)性的影響，在滿足船舶性能要求的前提下，確定合適的位置。

（4）船舶總體布置限制條件。船舶上有諸多設(shè)備，如系泊設(shè)備、救生設(shè)備、桅檣信號設(shè)備或其他作業(yè)設(shè)備等。起重機的位置應(yīng)保證其在正常作業(yè)時不與上述設(shè)備和上層建筑發(fā)生干涉。在布置起重機時還應(yīng)考慮其對駕駛室視線的影響。

（5）吊臂存放所需空間。船上空間極為有限，在布置起重機時，應(yīng)確保該位置下有足夠空間存放吊臂，同時應(yīng)保證吊臂在存放時不與船上設(shè)備或上層建筑發(fā)生干涉、不影響其他設(shè)備作業(yè)。

（6）在滿足上述5 點的前提下，可以微調(diào)起重機的位置。微調(diào)時應(yīng)盡量確保起重機底座回轉(zhuǎn)中心位于甲板結(jié)構(gòu)強框架附近或者縱、橫框架的交點處。

3.2 起重機布置流程

明確起重機布置的幾個主要原則后，在布置時應(yīng)遵照以下流程：

（1）依據(jù)起重機的作業(yè)范圍、用途和功能，大致確定一個布置范圍，例如：在船舶的舷側(cè)、船體中線處、船舯、船尾、船首、哪層甲板或平臺以及整體高度等。

（2）依據(jù)船舶的性能要求、貨艙口位置、舷外起吊距離要求和吊臂存放空間要求等因素，在本小節(jié)第（1）點的基礎(chǔ)上確定一個更加具體的位置，使其能滿足第（2）點所述要求。

（3）依據(jù)本小節(jié)第（1）點和第（2）點的要求確立了一個初步的位置后，需檢查起重機在作業(yè)和存放時，是否影響船上其他設(shè)備作業(yè)、是否遮擋駕駛室視線、是否與船上設(shè)備或上層建筑發(fā)生干涉；若發(fā)生干涉，則需小幅度調(diào)整起重機的位置，使其不發(fā)生干涉或不影響其他設(shè)備作業(yè)，或設(shè)置限位角控制起重機的回轉(zhuǎn)范圍和俯仰范圍。

（4）通過以上3 點確定了較準確的起重機位置后，若還能進行一定程度的微調(diào)，應(yīng)使吊機底座回轉(zhuǎn)中心位于甲板結(jié)構(gòu)強框架附近或置于縱、橫框架交點處。

需特別指出的是，起重機的位置并不是由某個因素唯一決定，往往是諸多因素共同決定其最終位置，這其中勢必會出現(xiàn)某些因素相互沖突的情況。若無法滿足所有因素，則需要各個專業(yè)間相互協(xié)調(diào)，取一個折中的方案。

3.3 起重機布置實例

2 000 t自升自航式一體化海上風(fēng)電安裝平臺需設(shè)置1 臺電動液壓雜物吊，用于搬運主甲板上的小型貨物、備品及機艙貨物等。

依據(jù)第2 章的選型方法，確定出雜物吊的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 雜物吊主要參數(shù)

依據(jù)3.2節(jié)的起重機布置流程，以該雜物吊為例，對布置過程進行分析。

首先，需要基于起重機的作用和功能，確定其大致位置。該雜物吊主要用于吊運主甲板上的小型貨物、備品及機艙貨物等，而機艙和備件間對應(yīng)的艙口蓋位于船舯；且雜物吊需要進行舷外作業(yè)。因此，該雜物吊的大致位置應(yīng)該在船舯、主甲板上，以及近舷側(cè)和貨物艙口蓋附近。

下頁圖2為風(fēng)電安裝平臺主甲板俯視圖。綠框圈出的區(qū)域為中部主甲板范圍，雜物吊的布置區(qū)域應(yīng)在綠框范圍內(nèi)、靠近舷側(cè)、位于貨艙口蓋附近，且不與船上其他設(shè)備、設(shè)施發(fā)生干涉。

圖2 風(fēng)電安裝平臺主甲板俯視圖

此外還應(yīng)注意以下問題：

（1）平臺有4條樁腿且樁腿高度較高，因此雜物吊的位置應(yīng)保證吊臂在俯仰和回轉(zhuǎn)過程中不與樁腿發(fā)生干涉；

（2）平臺中部主甲板區(qū)域需要存放風(fēng)機的機艙、塔筒和扇葉，雜物吊不能與上述設(shè)備發(fā)生干涉，不影響上述設(shè)備向舷外的吊運作業(yè)；

（3）平臺右舷配置了1臺2 000 t的主起重機和1臺200 t的輔助起重機，右舷空間極為有限，雜物吊的布置不能影響上述2臺起重機的正常作業(yè)。

綜上所述，對雜物吊位置進一步細化，雜物吊應(yīng)布置在左舷舷側(cè)，不與樁腿以及風(fēng)機機艙、塔筒和扇葉發(fā)生干涉的位置。在滿足上述所有條件的前提下，初步選定圖2中紅框圈出的3個區(qū)域作為待選位置。

然后，依據(jù)雜物吊的工作范圍、最大工作半徑和貨艙口位置等因素，縮小雜物吊的布置范圍。

圖3中藍框圈出的為機艙貨物艙口蓋、備品艙口蓋位置，雜物吊的最大工作半徑應(yīng)能夠覆蓋所有貨艙口。

圖3 風(fēng)電安裝平臺雜物吊區(qū)域選擇

由圖3可知，雜物吊若布置在區(qū)域1，則其最大工作半徑無法覆蓋備品艙口蓋1和備品艙口蓋2；若布置在區(qū)域3，則為了使吊臂在存放時不與樁腿2、樁腿3以及輔助起重機干涉，只能將吊臂橫向置于甲板之上。在此位置下，吊臂擱架和吊臂會影響駕駛室視線，且吊臂距離輔助起重機較近，可能影響其作業(yè)。

綜上所述，通過進一步的優(yōu)化分析與選擇，將起重機的布置區(qū)域縮小在區(qū)域2。

最后，依據(jù)吊臂的存放空間、舷外起吊距離，以及是否會與船上的設(shè)備和設(shè)施或上層建筑發(fā)生干涉等要求，在區(qū)域2內(nèi)進一步調(diào)整雜物吊位置。

區(qū)域2舷側(cè)能夠容納吊臂的空間有限，且吊臂不能橫向放置。在平行舷側(cè)縱向放置吊臂時，如果吊臂朝向船尾，則會占據(jù)中部甲板舷側(cè)上方空間，影響風(fēng)機機艙、塔筒和扇葉的舷外吊運作業(yè)。吊臂在舷側(cè)縱向存放時不能與樁腿干涉。

綜上所述，雜物吊回轉(zhuǎn)中心在區(qū)域2內(nèi)應(yīng)盡量靠近舷側(cè)、靠近船首，吊臂平行舷邊朝向船首縱向存放；同時，在條件允許的情況下，雜物吊回轉(zhuǎn)中心最好在主甲板強框附近且置于縱、橫框架交點處。

最終確定的雜物吊位置如圖4所示。其回轉(zhuǎn)中心位于FR.135肋位，距離船舯23 437.5 mm；吊臂平行舷邊、朝向船首縱向存放；吊臂存放時距離樁腿最近處約835 mm，不與樁腿干涉；雜物吊的最大工作半徑能夠覆蓋所有貨艙口。此外，為了使雜物吊在作業(yè)時不與樁腿干涉，應(yīng)設(shè)置54°限位角。

圖4 風(fēng)電安裝平臺雜物吊位置

4 起重機三維布置審查要點

由于二維圖紙能夠表達的位置和尺寸信息有限（尤其難以清晰表達高度方向上的信息），因此基于二維圖紙確定出起重機的最終位置后，本文運用三維建模技術(shù)，將起重機放置在以船舶為背景的三維環(huán)境中，檢測起重機與船上建筑和設(shè)備是否發(fā)生干涉。

4.1 搭建三維布置審查環(huán)境

起重機的三維審查環(huán)境包括兩大部分內(nèi)容：

（1）起重機簡化模型

依據(jù)第1 章確立的起重機主要尺寸參數(shù)，建立起重機簡化模型。

（2）船舶三維布置背景

包括船舶的系泊設(shè)備、救生設(shè)備、桅檣信號設(shè)備，以及其他作業(yè)設(shè)備、船舶上建、各層甲板和平臺等。

4.2 三維布置審查流程

起重機的三維布置審查流程如下：

步驟1：基于變幅回轉(zhuǎn)起重機的主要尺寸參數(shù)，以起重機底座最下端的回轉(zhuǎn)中心作為坐標原點，建立起重機簡化模型。

步驟2：在船舶三維背景中，確定起重機底座回轉(zhuǎn)中心所在位置（，，），將起重機三維模型整體置于位置點（，，）上，以吊臂存放位置作為吊臂的初始位置，從而在三維環(huán)境中確定出起重機的位置和初始姿態(tài)。

步驟3：依據(jù)起重機底座、塔身、吊臂的截面尺寸、高度尺寸、吊臂的最大/最小回轉(zhuǎn)半徑、回轉(zhuǎn)限位角和吊臂俯仰角，確定起重機作業(yè)空間的包絡(luò)面?？赏ㄟ^設(shè)置起重機的回轉(zhuǎn)限位角和吊臂俯仰角來限制起重機的作業(yè)空間。圖5 為不設(shè)回轉(zhuǎn)限位角和吊臂俯仰角時的包絡(luò)面和回轉(zhuǎn)限位角90°、吊臂俯仰角60°時的包絡(luò)面（包絡(luò)面為陰影部分）。

圖5 變幅回轉(zhuǎn)起重機作業(yè)范圍包絡(luò)面

步驟4：將起重機簡化模型按指定位置置于船舶三維背景中，多角度觀察起重機在存放狀態(tài)時是否和船體及其他船舶設(shè)備發(fā)生干涉；隨后觀察起重機在作業(yè)過程中形成的包絡(luò)面是否和船體及其他船舶設(shè)備發(fā)生干涉。

圖5所示包絡(luò)面中，上方半球體包絡(luò)面主要檢測吊臂在轉(zhuǎn)動和俯仰時的干涉情況，下方圓柱體包絡(luò)面主要檢測所吊貨物在轉(zhuǎn)運過程中的干涉情況，原則上這些包絡(luò)面內(nèi)部均不允許出現(xiàn)干涉物。但起重機的作業(yè)范圍應(yīng)首先考慮其功能需求，在某些特殊情況下，若包絡(luò)面內(nèi)部的干涉物不可避免，可通過吊臂俯仰、貨物起升等操作躲避這些干涉物。

以2 000 t自升自航式一體化海上風(fēng)電安裝平臺為例，建立起重機三維檢測環(huán)境（見圖6）。圖中灰色部分為船舶背景，黃色部分為雜物吊簡化模型。

圖6 2 000 t 自升自航式一體化海上風(fēng)電安裝平臺三維模型

由圖7可知，當(dāng)起重機處于存放狀態(tài)時，底座、塔身和吊臂均不與上層建筑、樁腿、甲板上的貨物和船上設(shè)備等發(fā)生干涉；且吊臂的存放位置不影響風(fēng)機機艙、塔筒和扇葉等設(shè)備向舷外的吊運作業(yè)。

圖7 雜物吊存放狀態(tài)干涉情況

雜物吊作業(yè)空間包絡(luò)面如圖8 紅色面所示。在包絡(luò)面內(nèi)出現(xiàn)了輔助起重機的筒體、樁腿3 和風(fēng)機塔筒、扇葉等干涉物。但為了滿足雜物吊的功能需求，其作業(yè)范圍無法進一步縮小。因此，利用起重機三維檢測環(huán)境能夠提醒工作人員注意上述干涉物，必要時可通過吊臂俯仰、貨物起升等操作躲避這些干涉物。

圖8 雜物吊作業(yè)空間包絡(luò)面干涉情況

5 結(jié) 語

本文以變幅回轉(zhuǎn)式起重機為設(shè)計對象，確定了建立起重機簡化模型時的幾個主要尺寸參數(shù)，明確了起重機的選型原則與布置原則，梳理了起重機的選型流程和布置流程，總結(jié)了起重機三維模型的審查要點。船用起重機布置的完整設(shè)計流程如下：

（1）依據(jù)起重機的用途及功能、船舶主尺度和布置情況以及驅(qū)動形式等要求，選擇合適的起重機型式；

（2）依據(jù)起重機的主要尺寸參數(shù)和選型結(jié)果，建立起重機簡化模型；

（3）依據(jù)起重機的用途及功能、起重機的最大工作半徑與起重機回轉(zhuǎn)中心距最遠端貨艙口的距離，以及船舶性能要求、船舶總體布置限制條件、吊臂存放所需空間和甲板結(jié)構(gòu)等要求，確定起重機在船舶上的位置；

（4）將起重機簡化模型按照確定好的位置放置于船舶三維背景中，觀察起重機在作業(yè)和存放時是否與船舶背景發(fā)生干涉，確定位置的合理性，并按要求進行改進。