廣東中遠(yuǎn)號空中翻身造船門式起重機(jī)的研制與應(yīng)用

黃耀怡，王景全，張志華，王 旭

(1.秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工股份有限公司，河北秦皇島 066004;2.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，南京 210007;3.鄭州新大方重工科技有限公司，鄭州 450064)

1 前言

1.1 概述

廣東中遠(yuǎn)號空中翻身造船門式起重機(jī)研制了兩臺，投入廣東中遠(yuǎn)船務(wù)工程公司船廠使用。它們業(yè)已在船廠使用將近三年之久，情況良好，達(dá)到研制預(yù)期目標(biāo)。其使用實(shí)況如圖1所示。

該門式起重機(jī)主要有門架結(jié)構(gòu)、上下小車起升系統(tǒng)、大車行走機(jī)構(gòu)、登機(jī)電梯、維修吊機(jī)、安全保護(hù)裝置(夾軌鉗、錨定裝置、終點(diǎn)防撞裝置、小車防傾覆裝置等)、供電系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、照明及通信系統(tǒng)、機(jī)械潤滑系統(tǒng)和司機(jī)室等，其組成如圖2所示。

門架結(jié)構(gòu)是門式起重機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，其安全可靠性必須得到絕對保證。該門機(jī)的門架結(jié)構(gòu)屬一剛一柔雙主梁體系，采用ANSYS程序?qū)ζ溥M(jìn)行了各種工況下的有限元結(jié)構(gòu)分析。圖3為其在最不利載荷組合作用于最不利位置時的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。

圖1 廣東中遠(yuǎn)號造船門機(jī)在現(xiàn)場使用實(shí)況Fig.1 Photograph of Guangdong Zhongyuan shipbuilding gantry crane

作為現(xiàn)代化的大型造船起重機(jī)械，其電氣控制系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性同樣是至關(guān)重要的。該起重機(jī)選用工業(yè)用PLC控制系統(tǒng)，以其為核心，配置交流變頻調(diào)速裝置、I/O遠(yuǎn)程模塊、交流變頻電動機(jī)、光電編碼器、荷重檢測器、風(fēng)速檢測儀、大車偏差監(jiān)視系統(tǒng)等，組成了計算機(jī)集散控制系統(tǒng)。由常規(guī)主令控制器、功能選擇開關(guān)及各種限位開關(guān)作輸入信號;輸出經(jīng)繼電器隔離后指令各調(diào)速器作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，其速度大小由PLC系統(tǒng)的D/A模塊輸出的模擬量決定，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。PLC系統(tǒng)控制不僅簡化了控制線路，更主要的是增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和控制功能。PLC參與控制使得各種工藝要求和操作要求只需簡單的手柄操作即可實(shí)現(xiàn)，使操作人員極易接受和掌握。

圖2 廣東中遠(yuǎn)號造船門機(jī)總圖(單位:mm)Fig.2 General drawing of Guangdong Zhongyuan shipbuilding gantry crane(unit:mm)

圖3 門架結(jié)構(gòu)最不利應(yīng)力云圖Fig.3 The most unbenefit stress cloud figure of gantry structure

整個系統(tǒng)具有完備可靠的各種自動保護(hù)功能和各種故障自診斷及顯示功能，十分靈活、準(zhǔn)確、可靠，包括:a.超載保護(hù);b.起升偏載保護(hù);c.機(jī)構(gòu)運(yùn)行同步保護(hù);d.聯(lián)鎖保護(hù);e.短路保護(hù);f.應(yīng)急保護(hù);g.過流保護(hù);h.超風(fēng)速保護(hù);i.零位保護(hù);j.限位保護(hù);k.缺相保護(hù);l.超速保護(hù);m.大車糾偏保護(hù);n.電源異常保護(hù)，等。

1.2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

1)起重能力。上小車(I、II鉤):2×75 t;下小車(III鉤/副鉤)110/25 t;上、下小車聯(lián)合翻身作業(yè):150 t;上、下小車聯(lián)合抬吊作業(yè):220 t。

2)起升高度與跨度:HP=50 m;LP=83 m。

3)起升速度。I、II、III鉤:0 ～10 m/min;副鉤:0～15 m/min。

4)其他。工作風(fēng)速≤20 m/s，非工作風(fēng)速≤40 m/s，海域腐蝕度≤10級。

1.3 主要創(chuàng)新點(diǎn)

該機(jī)的主要創(chuàng)新點(diǎn)有:

1)船段空中連續(xù)翻身工藝與技術(shù);

2)新型雙塔柱式剛性支腿與觀光型登機(jī)電梯;

3)雙主梁分層設(shè)計制造技術(shù);

4)隨動型維修吊機(jī);

5)低壓雙卷筒電纜供電技術(shù)。

2 船段空中連續(xù)翻身新工藝、新技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 傳統(tǒng)的船段間斷性翻身的作業(yè)方式

國內(nèi)外使用門式起重機(jī)對船段進(jìn)行空中翻身作業(yè)時，大多采用如下傳統(tǒng)方式，現(xiàn)對照圖4來說明其作業(yè)步驟:

步驟(a):上小車雙鉤系住船段的下側(cè)，下小車系住上側(cè)，將船段提離地面;然后上小車?yán)^續(xù)提升，同時下小車負(fù)載往上小車中線平移靠攏。

圖4 傳統(tǒng)的空中翻身作業(yè)程序圖Fig.4 Traditional working program of turning over ship-section

步驟(b):上小車與下小車通過升降與平移調(diào)整，使船段達(dá)到幾乎豎起的狀態(tài);此時上、下小車同時動作可將船段下降觸地，下小車解鉤卸載。

步驟(c):上小車單獨(dú)將船段提起離開地面，下小車自由平移至上小車左側(cè)，準(zhǔn)備重新系住船段。

步驟(d):下小車重新系住船段之與上小車吊住的同一側(cè)，鉤住之后上小車開始下降，同時下小車負(fù)載繼續(xù)向左邊平移。

步驟(e):上小車?yán)^續(xù)下降，使船段到達(dá)水平狀態(tài)，從而完成船段的180°翻身作業(yè)，兩小車同時下降或平移，使船段回到原來位置落下。

從上述步驟可以看到，在船段翻身中間過程，起重小車需要解鉤(步驟(b))和重新系鉤(步驟(c))各一次，而解鉤、系鉤都是人工操作。

2.2 創(chuàng)新研究成果之船段空中連續(xù)翻身工藝

船段空中連續(xù)翻身的創(chuàng)新工藝與技術(shù)，其作業(yè)流程對照圖5來加以說明。

圖5 船段空中翻身新工藝說明圖Fig.5 The new technique for turning over ship-section

步驟(a):上小車兩鉤M與下小車主鉤N共同將船段抬起。

步驟(b):下小車主鉤上升并向上小車平移靠攏，使船段慢慢在空中直立起來，下小車?yán)^續(xù)向上小車所在位置靠攏。

步驟(c):下小車主鉤吊著船段一端繼續(xù)平移并穿過上小車后，開始邊下降邊平移，直至將船段翻轉(zhuǎn)180°;然后上下小車同時作升降調(diào)整，直至船段處于水平狀態(tài)，此時船段即完成了空中翻身操作。船段可以落下并全部解鉤。

由上述連續(xù)翻身過程可以看出，船段可以繞上小車兩鉤旋轉(zhuǎn)。這是由于在船段中預(yù)先焊接了可轉(zhuǎn)動的吊點(diǎn)機(jī)構(gòu)，如圖6所示。

為使船段在空中連續(xù)翻身過程動作更加準(zhǔn)確、平穩(wěn)，在上小車兩鉤M和下小車主鉤N上均加裝了起升高度編碼器，能夠把各鉤的高度信號即時傳回PLC系統(tǒng);同時，在上、下小車行走機(jī)構(gòu)車輪上加裝了測量輪裝置，能夠把它們所處的位置即時傳回PLC系統(tǒng)。這樣可幫助PLC系統(tǒng)隨時作出判斷，并發(fā)出正確指令。

圖6 吊環(huán)式吊點(diǎn)M機(jī)構(gòu)組成Fig.6 The composition of hanger M in type of ring

2.3 該創(chuàng)新工藝與技術(shù)的重要意義

船段空中連續(xù)翻身工藝與技術(shù)是該課題的一項(xiàng)重要發(fā)明。“連續(xù)翻身”是相對于傳統(tǒng)的間斷性翻身作業(yè)方式而言。傳統(tǒng)方法是在船段翻身過程中間必須讓船段觸地進(jìn)行人工倒鉤操作，即把吊鉤從船段的這一側(cè)倒到另一側(cè)去。故翻身過程是不連續(xù)的，中間必須停頓。而新方法則是能夠使吊在空中的船段適時繞著吊點(diǎn)連續(xù)翻轉(zhuǎn)，形似運(yùn)動員打吊環(huán)的情景。故船段在空中翻身過程，其動作是連貫不間斷的，使船段180°翻身一氣呵成，避免了中間人工摘鉤和系鉤操作;這不僅提高了工效，降低了人工勞動強(qiáng)度，而且提高了施工勞動的安全性，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3 雙柱塔式新型剛性支腿與觀光型登機(jī)電梯設(shè)計

3.1 雙柱塔式剛性支腿組成方案

如圖2門機(jī)總圖左側(cè)所示，雙柱塔式剛性支腿主要由兩根直立的立柱、立柱之間的聯(lián)結(jié)系桿(兼做登機(jī)爬梯骨架)及流線型的基礎(chǔ)橫梁組成，橫梁兩端安裝大車行走機(jī)構(gòu)。兩立柱頂部用一根扁式上橫梁封口，兩立柱的間距與門架兩主梁的間距相等且立柱的腹板與主梁的腹板之間兩兩對齊后通過法蘭盤連接。緊貼立柱外壁安裝有觀光型登機(jī)電梯。

3.2 雙柱塔式剛性支腿的結(jié)構(gòu)分析

前已述及為保證該造船門式起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)的絕對安全，曾采用ANSYS程序?qū)υ撻T架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，可知在最不利荷載組合作用于最不利位置時雙柱塔式剛性支腿各驗(yàn)算截面的計算應(yīng)力均小于容許應(yīng)力;柱頂沿大車運(yùn)行方向的相對于柱腳的位移不到1 cm，這是指門機(jī)滿載沿軌道運(yùn)行而突然剎車時的最不利工況。為了證明上述計算結(jié)果的可靠性，進(jìn)一步將雙柱塔式剛性支腿模擬成桿系結(jié)構(gòu)計算模型，采用桿系結(jié)構(gòu)電算程序(結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器)，把支腿所受到的風(fēng)力、大車剎車慣性力及由主梁直接傳來的豎向力等加載到模型上，如圖7(a)所示。圖7(b)為位移計算結(jié)果的輸出圖形。此種模型的計算結(jié)果顯示，與前述ANSYS計算結(jié)果基本一致。

圖7 雙柱塔式剛性支腿桿系計算模型Fig.7 The staff system structure calculation model of rigid leg in type of double columns tower

3.3 登機(jī)電梯

傳統(tǒng)的翻身造船門式起重機(jī)登機(jī)電梯幾乎無一例外地均安裝在剛性支腿的巨大的箱形支柱內(nèi)，由于空間狹窄且站距大(通常h≈50 m)，并不像樓房內(nèi)電梯，空間大且站距小(通常h≈3 m)造成電梯維修困難及乘梯者多有陰沉郁悶感。該門機(jī)特地采用了觀光型電梯，從而使以上缺點(diǎn)得以克服。

3.4 該創(chuàng)新設(shè)計的實(shí)用效果

如圖2左側(cè)所示的雙塔柱式剛性支腿不僅其自身外觀優(yōu)美，且與門機(jī)整機(jī)輪廓的線形搭配也十分協(xié)調(diào)流暢。這種新型剛性支腿，不僅外觀設(shè)計獨(dú)樹一幟而成為廣東中遠(yuǎn)船廠的標(biāo)志性流動性建筑，更重要的是其結(jié)構(gòu)合理，實(shí)用性好。其兩柱頂正好與兩主梁端面對齊，兩塔柱之間空曠正好安裝爬梯，而爬梯又作為兩塔柱之間的聯(lián)結(jié)系桿，一材兩用，節(jié)省成本。觀光式登機(jī)電梯安裝在塔柱的外側(cè)，維修方便且清一色的弧形落地玻璃艙房可使登機(jī)者賞心悅目，輕松自如，一掃傳統(tǒng)剛性支腿內(nèi)置式電梯的諸多缺點(diǎn)。

4 門架結(jié)構(gòu)雙主梁分層設(shè)計制造技術(shù)

4.1 主梁分層設(shè)計制造的緣由和意義

廣東中遠(yuǎn)號造船門式起重機(jī)門架主梁的箱形截面高×寬為5 m×2 m。這樣大截面的鋼箱梁由工廠制造后，梁段裝車時立放就超高，倒放就超寬，無法用長途汽車運(yùn)到造船廠進(jìn)行整機(jī)組裝。如能解決好這個問題，就具有普遍的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。因?yàn)榇罂缍仍齑T式起重機(jī)的主梁高度均在3 m(公路運(yùn)輸裝車限高)以上，長途汽運(yùn)均超限。如果在鋼箱梁本身設(shè)計制造上能夠處理好這個問題，就可以打破大型造船門式起重機(jī)不能在內(nèi)地生產(chǎn)制造這一慣例和觀念，從而可更好地發(fā)揮內(nèi)地造價較低和市場廣闊的優(yōu)勢。

4.2 分層設(shè)計制造的主梁截面構(gòu)成

解決上述問題的辦法是將箱形主梁沿縱向水平分層設(shè)計制造，并使層高不超過3 m，層間采用內(nèi)置式無限長法蘭板條高強(qiáng)度螺栓連接，圖8所示箱形截面腹板中線處的構(gòu)造細(xì)節(jié)即如此。這樣使整個箱形梁由上層的正П形梁和下層的倒П形梁相扣而組成。

圖8 雙主梁分層設(shè)計截面構(gòu)造圖(單位:mm)Fig.8 The section construct drawing of double box beams designing as divided into two layers(unit:mm)

由圖8可見，這樣的分層處理辦法，既可保證長途運(yùn)輸截面不變形，又不至于額外花費(fèi)較多的材料，這比采用上下兩個各自封閉的箱形截面疊置的方法要合理優(yōu)越許多。分層法蘭板條處的高強(qiáng)度螺栓系按縱向水平抗剪螺栓計算。在造船廠現(xiàn)場總裝之后，再把層間縱向水平接縫外側(cè)用連續(xù)焊縫封口，這樣既可防雨水滲入箱內(nèi)，還可增加接口的連接剛度和強(qiáng)度，做到萬無一失。

5 隨動型維修吊機(jī)設(shè)計

由于空中翻身造船門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)跨度和高度都相當(dāng)大，機(jī)上必須配置機(jī)械維修吊機(jī)。吊機(jī)通常為平頭旋轉(zhuǎn)式塔吊，并固定安裝在剛性支腿所在主梁一端端頭上。這種設(shè)置的最大缺點(diǎn)是，一旦起重小車行走機(jī)構(gòu)在維修吊機(jī)夠不著的地方壞了，就很難直接使用維修吊機(jī)來協(xié)助拆卸和更換已損壞的零部件，需要采用其他拖拉或推送的強(qiáng)制辦法將起重小車送到維修吊機(jī)起升半徑之內(nèi)。顯然這是頗為落后的方法。所以有必要采用一種比較先進(jìn)方便的方案。該造船門機(jī)所采用的隨動型維修吊機(jī)，就是把維修吊機(jī)安裝在起重上小車車架之上，可隨上小車而移動(見圖9)。這樣，無論是上小車壞了或下小車壞了，維修吊機(jī)均能夠直接對其進(jìn)行拆卸和更換作業(yè)。當(dāng)然，上下小車同時壞了，都不能行走了，且兩者相距又超過維修吊機(jī)的起升半徑，這種概率幾乎等于零，不必考慮。

圖9 隨動型維修吊機(jī)與上起重小車(單位:mm)Fig.9 The moving crane for repair and upper lift car(unit:mm)

6 低壓雙卷筒電纜供電系統(tǒng)

當(dāng)造船門式起重機(jī)的耗電容量在300 kW左右時，采用低壓電源(380～440 V)供電是比較適宜的。當(dāng)耗電量超過400 kW時就應(yīng)考慮高壓電源(4 kV，6 kV或10 kV)供電，原因是常規(guī)低壓電纜截面積增大，電纜太粗太僵硬，而相應(yīng)的低壓卷筒的直徑又不能按比例增大，粗大的電纜無法入槽纏繞，更不必說收放了。而該項(xiàng)目的合作船廠當(dāng)時是處在初建階段，只有低壓電源。經(jīng)研究，最后采用了低壓雙卷筒電纜并聯(lián)上機(jī)，使電纜截面積減小了一半，線纜僵性也大為降低，從而選用通常的低壓卷筒就不成問題了。雙卷筒電纜布置在剛性支腿基礎(chǔ)橫梁兩端，如圖2所示。這種低壓雙卷筒電纜供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為無高壓電源的中小船廠開辟了一條供應(yīng)動力電源的可行途徑，節(jié)約了費(fèi)用且提高了起重機(jī)的使用安全性。

7 結(jié)語

通過對廣東中遠(yuǎn)號空中翻身造船門式起重機(jī)的成功研制與應(yīng)用情況的扼要介紹，著重論述了這種新裝備、新技術(shù)的幾項(xiàng)創(chuàng)新成果的技術(shù)特征及其實(shí)際意義，包括船段空中連續(xù)翻身技術(shù)與工藝、雙柱塔式剛性支腿與觀光型登機(jī)電梯設(shè)計、門架結(jié)構(gòu)雙主梁分層設(shè)計制造技術(shù)、隨動型維修吊機(jī)和低壓雙卷筒電纜供電技術(shù)等，對從事同類產(chǎn)品和技術(shù)的研發(fā)人員具有很好的參考和啟迪意義。