“長鯨6”耙頭液壓絞車故障分析

李 浩

(長江武漢航道工程局，武漢430014)

大型耙吸式挖泥船“長鯨6”的裝載容積為13 280 m3，建造于2010年，在航行試驗(yàn)及施工過程中，耙頭、耙中絞車液壓馬達(dá)頻繁出現(xiàn)故障，導(dǎo)致多次停工事故，嚴(yán)重影響施工進(jìn)程。本文就此問題進(jìn)行分析。

1 耙吸管結(jié)構(gòu)及主要工作參數(shù)

彎管施工就位前后耙管結(jié)構(gòu)分析模型見圖1［1］。

圖1 彎管就位前、后耙管結(jié)構(gòu)示意

耙頭、耙中、彎管絞車配置見表1。

該船原設(shè)計(jì)最大挖深為35 m，加長耙管后最大挖深為45 m。

1)挖深45 m時(shí)的耙吸管提升重量。耙吸管重量1 180 kN(沖水管充滿水，泥管為空，含耙頭270 kN，滑塊110 kN);耙吸管重量1 710 kN(沖水管充滿水，泥管充滿水，含耙頭270 kN，滑塊110 kN);耙吸管重量1 900 kN(沖水管充滿水，泥管充滿密度為1.35 t/m3的泥漿，含耙頭270 kN，滑塊110 kN)。

表1 耙頭、耙中、彎管絞車配置

2)挖深35 m時(shí)的耙吸管提升重量。耙吸管重量109 t(此時(shí)，沖水管充滿水，泥管空，含耙頭270 kN，滑塊110 kN);耙吸管重量1 500 kN(沖水管充滿水，泥管充滿水，含耙頭270 kN，滑塊110 kN);耙吸管重量1 650 kN(此時(shí)，沖水管充滿水，泥管充滿密度為1.35 t/m3的泥漿，含耙頭重270 kN，滑塊重110 kN)。

2 絞車受力分析

在實(shí)際使用中耙頭、耙中絞車液壓馬達(dá)頻繁出現(xiàn)故障，而彎管絞車工作正常。本文主要分析相關(guān)絞車在典型工況下的受力。

2.1 絞車起吊能力分析

耙頭、耙中絞車所選用的馬達(dá)單位轉(zhuǎn)矩為50 N·m/0.1 MPa，根據(jù)絞車提供的資料，耙頭絞車的工作壓力為13 MPa，減速比為72.03，卷筒直徑為1 350 mm。考慮到絞車機(jī)械效率，根據(jù)文獻(xiàn)［2］提供計(jì)算絞車能承受的最大拉力計(jì)算公式計(jì)算3臺(tái)絞車所能提供的最大拉力見表1。

2.2 不同工況下絞車受力分析

2.2.1 挖深45 m時(shí)絞車受力分析

耙管處于水平狀態(tài)下(耙管在水面上)，此時(shí)耙吸管無水。已知耙管總長度為彎管吊點(diǎn)至耙頭吊點(diǎn)間距離(忽略耙頭長度)為53 m，耙中吊點(diǎn)至彎管吊點(diǎn)間距離為21 m。設(shè)彎管、耙中和耙頭的鋼絲繩長度分別為L1、L2和L3，由于彎管采用動(dòng)滑輪，可知L1=2L2=2L3，且鋼絲繩為同一材質(zhì)，其彈性模量相同。設(shè)彎管、耙中和耙頭的鋼絲繩受力分別為F1、F2和F3，整個(gè)耙管系統(tǒng)在鋼絲繩作用下懸掛，該系統(tǒng)為“靜不定”系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)受力分析圖見圖2。

圖2 挖深45 m時(shí)水平狀態(tài)下耙吸管受力分析(水面上)

平衡方程為

變形協(xié)調(diào)條件為

式中:δ1=F1l/2EA1;δ2=F2l/EA2;δ3=F3l/EA3;

A2=A3=2.56 A1。

其中:l——鋼絲繩長度;

E——鋼絲繩彈性模量;

A1、A2、A3——彎管、耙中、耙頭絞車鋼絲繩橫截面面積。

得到變形協(xié)調(diào)方程:

解得F1=310 kN;F2=340 kN;F3=530 kN。

耙管處于水平狀態(tài)下(耙管入水)，此時(shí)耙吸管充滿水，耙管所受浮力為655 kN，耙管受力見圖3。

圖3 挖深45 m時(shí)水平狀態(tài)下耙吸管受力分析(水面上)

同上可得:

F=270 kN;F=300 kN;F=490 kN。

挖深達(dá)45 m時(shí)，耙管處于最大角度(耙管入水)，此時(shí)耙吸管充滿泥漿，彎管滑塊已落座，彎管絞車不受力。結(jié)構(gòu)受力分析見圖4。

圖4 挖深45 m時(shí)耙吸管受力分析(管內(nèi)泥漿密度1.35 t/m3)

假定耙與水平面夾角為α，耙頭鋼絲繩長度為L3，與耙管的夾角為β，耙中鋼絲繩長度為L2，與耙管的夾角為γ。通過動(dòng)態(tài)計(jì)算可知，當(dāng)耙挖至最深(此時(shí)，L2=30.5 m，L3=55.0 m，α=43°時(shí)，β=63°，γ=58°)時(shí)鋼絲繩拉力最大。

由平衡及變形協(xié)調(diào)方程得到F2=410 kN;F3=580 kN

2.2.2 挖深35 m時(shí)絞車受力分析

挖深35 m時(shí)，耙管總長度為42 m，耙中吊點(diǎn)至彎管吊點(diǎn)間距離為21 m。挖深達(dá)35 m時(shí)，耙中鋼絲繩L2=30.5 m，L3=45.0 m;α=43°時(shí)，β=63°，γ=58°。

耙管處于水平狀態(tài)下(耙管在水面上)，此時(shí)耙吸管無水，各絞車受力分析見圖5。

圖5 挖深35 m時(shí)水平狀態(tài)下耙吸管受力分析(水面上)

利用平衡和變形協(xié)調(diào)條件得到F1=300 kN;F2=330 kN;F3=460 kN。

耙管處于水平狀態(tài)下(耙管入水)，此時(shí)耙吸管充滿水，耙管浮力為520 kN。耙管結(jié)構(gòu)受力見圖6。

利用平衡和變形協(xié)調(diào)條件得到F1=260 kN;F2=300 kN;F3=430 kN。

挖深達(dá)350 kN時(shí)，耙管處于最大角度(耙管入水)，此時(shí)耙吸管充滿泥漿，彎管滑塊已落座，彎管絞車不受力。耙管結(jié)構(gòu)受力見圖7。

圖6 挖深35 m時(shí)水平狀態(tài)下耙吸管受力分析(水面上)

利用平衡和變形協(xié)調(diào)條件得到F2=360 kN;F3=490 kN。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖7 挖深35 m時(shí)耙吸管受力分析(管內(nèi)泥漿密度1.35 t/m3)

根據(jù)CCS《近海用起重機(jī)相關(guān)規(guī)范》［3］要求，絞車作業(yè)系數(shù)為1.2，此外還要考慮船舶航行動(dòng)載系數(shù)、起升速度系數(shù)、橫縱傾系數(shù)等;如計(jì)入耙吸管穿過空氣/水界面的影響時(shí)，作業(yè)系數(shù)為1.7。綜合以上因素，取作業(yè)系數(shù)為1.7，將耙管充滿水時(shí)的水平狀態(tài)作為計(jì)算點(diǎn)。各工況下耙管絞車受力情況見表2。

表2 典型工況下各絞車受力情況與安全工作能力比較 kN

將絞車所需安全工作能力與相應(yīng)絞車極限工作能力相比，可得到相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 絞車所需安全工作能力與相應(yīng)絞車極限工作能力比值 %

根據(jù)表3列數(shù)據(jù)，考慮到安全儲(chǔ)備因素，在所考慮的6種典型工況條件下，彎管絞車和耙中絞車安全工作所需絞車工作能力較所配絞車的極限工作能力基本接近。而耙頭絞車所需安全工作能力則在大部分工況條件下大幅度超出所配絞車的極限工作能力。

1)正常工作情況下，耙中、彎管絞車基本上滿足安全工作要求。

2)耙頭絞車在大部分工作狀態(tài)中安全儲(chǔ)備不足，極易發(fā)生故障。

3)當(dāng)耙頭絞車發(fā)生故障后，將導(dǎo)致受力重新分配，引起耙中絞車負(fù)荷大幅度增加，損壞耙中絞車。

4 結(jié)論

受工程施工地域及條件限制，在無法改造耙管絞車的情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在耙頭和耙中處各加裝一個(gè)滑輪，起吊鋼絲一段固定在絞車上，另一端固定在船體上，以此方式降低操作過程中絞車所受拉力。通過此方法改裝后，絞車運(yùn)行正常。

上述方案雖然暫時(shí)解決了設(shè)備故障，但是存在下述遺留問題:

1)雖考慮到耙頭、耙中吊架有足夠的強(qiáng)度和剛度，但由于采用臨時(shí)解決辦法，其上吊點(diǎn)位置布置不合理，導(dǎo)致吊架在施工中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致下部轉(zhuǎn)軸和液壓油缸產(chǎn)生偏磨。

2)船舶在深水航道施工時(shí)，水流較急，挖深較大，耙頭起放速度較慢，存在一定的安全隱患，同時(shí)降低了施工效率。

［1］陳傳堯.工程力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］中國船級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2007.