大型抓斗挖泥船起升機(jī)構(gòu)的布置方案對(duì)比

魏富龍，馬曉晶

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司, 上海 200125)

大型抓斗挖泥船起升機(jī)構(gòu)的布置方案對(duì)比

魏富龍，馬曉晶

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司, 上海 200125)

大型抓斗挖泥船起升機(jī)構(gòu)具有起重載荷大、起升速度快、沖擊大等特性，設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)遇到需要開(kāi)發(fā)超大型非標(biāo)設(shè)備的問(wèn)題，并且需要考慮如何減小機(jī)構(gòu)尺寸的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比3種布置方案，選出1種合理的方案，在不降低起升機(jī)構(gòu)使用性能的前提下，達(dá)到減小機(jī)構(gòu)平面尺寸、減少非標(biāo)設(shè)備數(shù)量、縮小船體尺寸、提高整船經(jīng)濟(jì)效益的目的。

大型抓斗挖泥船；起升機(jī)構(gòu)；串聯(lián)卷筒；優(yōu)化布置

近年來(lái)，海上疏浚與填筑工程的規(guī)模越來(lái)越大，疏浚市場(chǎng)對(duì)疏浚設(shè)備的成本、效率、節(jié)能、環(huán)保等要求越來(lái)越高，對(duì)大型疏浚設(shè)備的需求也越來(lái)越迫切。同時(shí)隨著國(guó)家海上基建的大力發(fā)展，抓斗挖泥船作為一種用途廣泛、能夠開(kāi)展就地取材作業(yè)的高效挖泥船，開(kāi)發(fā)研制大方量抓斗挖泥船已迫在眉睫。

根據(jù)市場(chǎng)需求，開(kāi)展目前在國(guó)際上噸位最大的200 m3級(jí)抓斗挖泥船的設(shè)計(jì)方案研究。該船船長(zhǎng)128 m；船寬36 m；額定起升拉力6 900 kN；額定起升速度50 m/min,額定挖深30 m。

起升機(jī)構(gòu)作為抓斗挖泥船中最基本、最重要的機(jī)構(gòu)，其工作能力直接影響整艘挖泥船的施工性能。由于大型抓斗挖泥船的起重載荷大、作業(yè)頻繁、沖擊大，在設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu)時(shí)，通常會(huì)遇到需要開(kāi)發(fā)研制超大型非標(biāo)電機(jī)、減速箱、卷筒的問(wèn)題。對(duì)抓斗機(jī)的設(shè)計(jì)、制造及后期維護(hù)工作帶來(lái)一定的困難[1],同時(shí)需要考慮如何減小機(jī)構(gòu)體積的問(wèn)題。為了盡量減少在本船的起升機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)這種超大型非標(biāo)設(shè)備，減小起升機(jī)構(gòu)尺寸，現(xiàn)通過(guò)對(duì)比3種起升機(jī)構(gòu)布置方案，選擇合理的布置方案。

1 起升機(jī)構(gòu)布置方案

起升機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、卷繞系統(tǒng)、取物裝置、制動(dòng)器及其他安全裝置等組成，不同種類(lèi)的起重機(jī)需配備不同的取物裝置，其驅(qū)動(dòng)裝置亦有不同[2]。200 m3抓斗挖泥船采用電液主動(dòng)式抓斗，即使用液壓油缸實(shí)現(xiàn)抓斗的開(kāi)、閉斗動(dòng)作。起升機(jī)構(gòu)需提供的起升力達(dá)6 900 kN，綜合考慮機(jī)械效率、安全系數(shù)、起升系數(shù)、作業(yè)系數(shù)等，本起升機(jī)構(gòu)需采用16根φ60 mm的鋼絲繩用于起降抓斗[3-4]。

1.1 起升機(jī)構(gòu)布置方案一

參考典型的起升機(jī)構(gòu)布置形式[5-6]，制定了200 m3抓斗挖泥船起升機(jī)構(gòu)布置方案一，見(jiàn)圖1。

圖1 起升機(jī)構(gòu)布置方案一

該起升單元主要包括電機(jī)、減速箱和卷筒(雙出繩)，其中電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與減速箱的輸入端相連，而減速箱的輸出端通過(guò)聯(lián)軸器與卷筒相連。電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)減速箱，減速箱帶動(dòng)卷筒，卷筒通過(guò)卷繞起升鋼絲繩帶動(dòng)抓斗的升降。

優(yōu)點(diǎn)：方案一作為起升機(jī)構(gòu)常見(jiàn)布置形式，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，電機(jī)、聯(lián)軸器、減速箱、支承軸承尺寸較小，適用于常規(guī)起重產(chǎn)品。

缺點(diǎn)：全船共需8套起升單元，安裝空間較大，相應(yīng)增加了船寬(約2 m)，航行經(jīng)濟(jì)性降低；由于卷筒數(shù)量多、起升速度快，卷筒之間的同步性較難實(shí)現(xiàn)；鋼絲繩夾角較大，造成鋼絲繩磨損加劇，減少鋼絲繩使用壽命，增加后期維護(hù)成本。

1.2 起升機(jī)構(gòu)布置方案二

為了減少安裝空間，在方案一的基礎(chǔ)上優(yōu)化并制定了方案二，見(jiàn)圖2。

圖2 起升機(jī)構(gòu)布置方案二

該起升單元包括：電機(jī)、聯(lián)軸器、支承軸承、減速箱、卷筒(四出繩)。驅(qū)動(dòng)形式和方案一相同，區(qū)別在于將雙出繩卷筒改為四出繩卷筒。

優(yōu)點(diǎn)：方案二為方案一優(yōu)化后的布置形式；全船起升單元由8套減少為4套，減少了電機(jī)、減速箱的數(shù)量，起升單元的安裝空間較方案一有所減小，從而船寬尺寸可減小約2 m，相應(yīng)地優(yōu)化了船舶的流線形，增加船舶續(xù)航能力；采用變頻控制技術(shù)通過(guò)力矩控制和速度控制相結(jié)合以保證4個(gè)起升單元在作業(yè)過(guò)程中同步運(yùn)行，同時(shí)鋼絲繩夾角有所減小，鋼絲繩受力相對(duì)均衡，延長(zhǎng)了起升鋼絲繩使用壽命。

缺點(diǎn)：電機(jī)、減速箱、卷筒尺寸增大，需要進(jìn)行定制；卷筒跨距增大，受力復(fù)雜，如仍采用方案一壁厚卷筒，經(jīng)驗(yàn)算卷筒綜合應(yīng)力達(dá)σ=190 MPa，超過(guò)鋼材許用應(yīng)力，為滿足卷筒使用要求必須增加卷筒壁厚(由65 mm增大到80 mm)[7-8]，從而增加機(jī)構(gòu)總重。

1.3 起升機(jī)構(gòu)布置方案三

針對(duì)方案二中卷筒受力復(fù)雜、壁厚增加的缺點(diǎn)，方案三特別對(duì)起升單元中的卷筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將一個(gè)四出繩卷筒拆分成兩個(gè)兩出繩卷筒[9]，卷筒1與卷筒2之間通過(guò)內(nèi)置聯(lián)軸器相連接并增加支承軸承2進(jìn)行支承。見(jiàn)圖3。

圖3 起升機(jī)構(gòu)布置方案三

優(yōu)點(diǎn)：繼承了方案二中的優(yōu)點(diǎn)；由于采用了串聯(lián)卷筒，卷筒受力大幅減小，經(jīng)計(jì)算卷筒壁厚為65 mm時(shí)就可滿足使用要求，減小了機(jī)構(gòu)總重；支承軸承2的使用，可以有效防止卷筒之間出現(xiàn)超靜定現(xiàn)象，卷筒受力更加合理。

缺點(diǎn)：機(jī)構(gòu)形式相對(duì)復(fù)雜；電機(jī)、減速箱仍需定制。

2 對(duì)比分析

上述3種方案均可實(shí)現(xiàn)抓斗挖泥船的施工工況。通過(guò)對(duì)比3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，不難發(fā)現(xiàn)方案三是前兩種方案的優(yōu)化。該方案減少了電機(jī)和減速箱的數(shù)量，減小了機(jī)構(gòu)的安裝空間和設(shè)備整體重量，卷筒受力更加合理，同步性控制更加簡(jiǎn)單，延長(zhǎng)了鋼絲繩的使用壽命。

3 結(jié)論

對(duì)于200 m3級(jí)抓斗挖泥船，起升機(jī)構(gòu)需要提供足夠大的驅(qū)動(dòng)能力，以保證起升載荷與起升速度，同時(shí)又要考慮船體的主尺度及通航經(jīng)濟(jì)性。起升機(jī)構(gòu)布置方案三在各部件均能通過(guò)校核的情況下，能滿足抓斗挖泥船的施工工況，同時(shí)又減小了機(jī)構(gòu)的安裝空間，減少了設(shè)備整體重量，進(jìn)而減小了船寬尺寸，提高了整船經(jīng)濟(jì)性。綜合考慮并經(jīng)專(zhuān)家會(huì)審，方案三的布置形式更合理、更實(shí)用。

[1] 耿鵬舉.大型卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)的布置和優(yōu)化[J].湖南水利水電，2014(3)：101-102.

[2] 張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[3] 中國(guó)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，2008.

[4] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]，2008.

[5] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[6] 孫 楓.港口起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[7] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1992.

[8] 盧耀祖.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,2004.

[9] 張偉健，蔡志碩，魏富龍，等.抓斗式挖泥船及其抓斗機(jī)起升機(jī)構(gòu)：中國(guó)，ZL 2014 2 0138126.0[P].2014.

Comparison on Layout of Large Grab Dredger Hoisting Mechanism

WEI Fu-long, MA Xiao-jing

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Company Limited, Shanghai 200125, China)

Hoisting mechanism of large grab dredger has the characteristics of large hoisting load, fast hoisting speed and huge impact. The design often confronts problems like the development of non-standard equipments. And it should be considered how to cut down the size of the hoisting mechanism. Three kinds hoisting mechanism layout are compared to figure out an appropriate one. This layout form achieves to reduce the mechanism overall dimension, the number of non-standard equipments and the dredger size and enhance the overall economic profit of the dredger without lowering its performance capacity.

large grab dredger; hoisting mechanism; two drums in a serial; optimization

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.020

2015-08-18

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目計(jì)劃資助 (工信部聯(lián)裝[2012]539號(hào))

魏富龍(1983-)，男，學(xué)士,工程師

U674.31

A

1671-7953(2015)06-0086-03

修回日期：2015-09-09

研究方向:挖泥船機(jī)械設(shè)計(jì)

E-mail:weifulong@zpmc.net