桅桿式起重機(jī)及其回轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

海洋工程的發(fā)展不僅代表各國海洋資源上的利益，更被提升到國家戰(zhàn)略的高度，發(fā)展海洋工程事業(yè)已經(jīng)成為國際性大趨勢和各沿海國家的戰(zhàn)略抉擇。在新能源方面，海洋風(fēng)電的迅速崛起也為海洋裝備市場提供了充足的動力。

海上起重設(shè)備中A架型起重機(jī)數(shù)量最多，其具有可回轉(zhuǎn)、可擺動的懸伸臂架，大多配置起升、回轉(zhuǎn)、變幅等機(jī)構(gòu)[1]。回轉(zhuǎn)軸承作為全回轉(zhuǎn)起重機(jī)最重要的關(guān)鍵部件之一，其強(qiáng)度、剛度直接影響起重機(jī)的安全性、可靠性。起重機(jī)在起吊重物時，吊載所產(chǎn)生的巨大傾覆力矩作用在回轉(zhuǎn)軸承上，在水平力和彎矩的作用嚴(yán)重影響回轉(zhuǎn)軸承使用壽命，而且由于回轉(zhuǎn)軸承所處位置位于起重船甲板平臺的中央?yún)^(qū)域，一旦損壞更換不易，更換成本也很高。本文所述桅桿式起重機(jī)由于其設(shè)計特點，回轉(zhuǎn)軸承所受傾覆力矩大大減小，且軸承直徑與常規(guī)浮式起重機(jī)相比大大縮小，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可有效提高船體或平臺利用率。

2 桅桿式起重機(jī)形式及工作原理

桅桿式起重機(jī)以垂直桅桿為承載構(gòu)件，具有回轉(zhuǎn)空間小、結(jié)構(gòu)緊湊、起重能力大等特點，是海上起重設(shè)備中的新產(chǎn)品。與其他類型的起重機(jī)相比，桅桿式起重機(jī)僅占據(jù)有限的船舶或平臺空間。鑒于桅桿式起重機(jī)獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，越來越多的國內(nèi)外客戶開始選擇桅桿式起重機(jī)。上海振華重工在2014年成功研發(fā)出國內(nèi)首臺500 t桅桿式起重機(jī)，填補了國內(nèi)技術(shù)空白[2]。2018年，上海振華重工又自主研發(fā)、設(shè)計、制造了1 600 t桅桿式起重機(jī)。國內(nèi)對于新型海上桅桿式起重機(jī)的研發(fā)剛剛起步，還需要吸收先進(jìn)的設(shè)計理念，提高自主設(shè)計制造能力。

桅桿式起重機(jī)由吊臂、固定桅桿、轉(zhuǎn)臺、絞車機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)軸承、頂部回轉(zhuǎn)裝置、電控系統(tǒng)等組成(見圖1)。從桅桿式起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式可以看出，起重機(jī)在起吊重物時，無論臂架處于哪種角度，變幅鋼絲繩軸向拉力中心線在頂部回轉(zhuǎn)軸承附近，臂架軸向壓力中心線在回轉(zhuǎn)軸承附近或穿過回轉(zhuǎn)軸承，因此只有很小的力臂，自然產(chǎn)生的傾覆力矩很小。與常規(guī)A架型起重機(jī)不同，桅桿式起重機(jī)起吊貨物所產(chǎn)生的傾覆力矩主要由固定桅桿承受，其優(yōu)點為：固定桅桿承受傾覆力矩的能力大大優(yōu)于回轉(zhuǎn)軸承，可以使回轉(zhuǎn)軸承設(shè)計直徑大幅縮小，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊；取消了A架型起重機(jī)分擔(dān)回轉(zhuǎn)軸承壓力的配重箱，可減輕整機(jī)重量；整機(jī)對于船體甲板空間要求小，便于船體布置，可提高甲板利用率。

由圖1可看出，由于固定桅桿承受傾覆力矩能力大大優(yōu)于回轉(zhuǎn)軸承，不僅可以減小整機(jī)回轉(zhuǎn)部分直徑，還能適度提高整機(jī)重心，這樣在相同船外幅度下可以獲得更大的起升高度。主要絞車設(shè)備都布置在起重機(jī)內(nèi)部空間，與海洋環(huán)境隔離，極大減少了維護(hù)工作量。

1.起升鋼絲繩 2.頂部回轉(zhuǎn)裝置 3.固定桅桿 4.轉(zhuǎn)臺 5.回轉(zhuǎn)軸承 6.基座 7.絞車機(jī)構(gòu) 8.變幅鋼絲繩 9.吊臂 10.擱座圖1 海上桅桿式起重機(jī)

3 桅桿式起重機(jī)回轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)

轉(zhuǎn)臺處回轉(zhuǎn)軸承與常規(guī)A架型起重機(jī)相同，但因不承擔(dān)傾覆力矩，可以選擇直徑較小的型號。起重機(jī)回轉(zhuǎn)時，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺和臂架旋轉(zhuǎn)，其繞桅桿做回轉(zhuǎn)運動。桅桿頂部回轉(zhuǎn)裝置不安裝驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其回轉(zhuǎn)動作由吊機(jī)變幅鋼絲繩帶動。本文重點介紹桅桿頂部回轉(zhuǎn)裝置，這也是桅桿式起重機(jī)關(guān)鍵回轉(zhuǎn)部件。

頂部回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)軸承和鋼絲繩分繩器組成。由于桅桿頂部回轉(zhuǎn)裝置為從動件，滑輪位置布置變得尤為重要，如位置布置不當(dāng)則會發(fā)生頂部回轉(zhuǎn)裝置與臂架回轉(zhuǎn)不同步的情況，從而引發(fā)變幅鋼絲繩從滑輪出槽的事故。如圖2所示，桅桿頂部回轉(zhuǎn)裝置由4個主要部分組成，起重機(jī)變幅力通過分繩器和回轉(zhuǎn)軸承向固定桅桿傳遞。整個頂部組件不設(shè)置動力源，回轉(zhuǎn)動作由變幅繩牽引完成。分繩器設(shè)置變幅鋼絲繩換向支架和起升鋼絲繩換向支架，用于安裝相應(yīng)改向滑輪組。變幅鋼絲繩和起升鋼絲繩從結(jié)構(gòu)內(nèi)部絞車卷筒經(jīng)分繩器的改向滑輪(組)，傳遞至臂架相應(yīng)位置，完成鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，達(dá)到分繩的目的。分繩器的設(shè)置可以讓絞車機(jī)構(gòu)布置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與外界海洋環(huán)境隔離，減少鹽霧腐蝕，降低維護(hù)工作量。

1.變幅滑輪組 2.鋼絲繩分繩器 3.頂部回轉(zhuǎn)軸承 4.吊機(jī)桅桿圖2 桅桿頂部回轉(zhuǎn)裝置

4 回轉(zhuǎn)分繩器設(shè)計計算

由于頂部回轉(zhuǎn)裝置無驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其動力來源于臂架頭部變幅鋼絲繩牽引拖拽，要使其順利轉(zhuǎn)動需克服自身摩擦阻力，必須合理計算確定變幅滑輪組位置。如圖3所示，吊機(jī)變幅鋼絲繩受力為F，變幅鋼絲繩與水平面夾角為α，變幅滑輪組距離吊機(jī)回轉(zhuǎn)中心距離為L，上部回轉(zhuǎn)軸承滾道直徑為D。將變幅鋼絲繩力進(jìn)行水平和豎直方向分解得到水平分力Fh和豎直分力Fv：

Fh=Fcosα

(1)

Fv=Fsinα

(2)

頂部滑輪組旋轉(zhuǎn)所受到的阻力矩T為：

(3)

式中，ω為回轉(zhuǎn)軸承摩擦因數(shù)，取ω=0.015。

圖3 頂部回轉(zhuǎn)裝置滑輪組布置示意圖

在吊機(jī)剛剛開始回轉(zhuǎn)動作時，由于桅桿頂部滑輪組轉(zhuǎn)動靠變幅鋼絲繩拖拽，同時加上鋼絲繩的柔性特性，會使桅桿頂部滑輪組和臂架回轉(zhuǎn)之間產(chǎn)生一個延時，使變幅鋼絲繩與變幅滑輪之間產(chǎn)生一個夾角。假設(shè)吊機(jī)做逆時針回轉(zhuǎn)，此時變幅鋼絲繩與滑輪之間夾角為β。則整個桅桿頂部滑輪組由于變幅鋼絲繩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M為：

M=FLcosαsinβ

(4)

(5)

起重機(jī)設(shè)計規(guī)范中，滑輪上鋼絲繩夾角大小β要求不大于3°,取sinβmax=sin3°=0.052。根據(jù)目前國內(nèi)自主設(shè)計制造的2臺桅桿式起重機(jī)情況分析，在吊機(jī)臂架最大工作角度時，變幅鋼絲繩與水平面夾角α均不超過70°，取tanαmax=tan70°=2.747，帶入式(5)可得：L>0.54D

5 結(jié)語

目前海上風(fēng)電項目的發(fā)展對浮式起重機(jī)起升高度提出了更高的要求，海上桅桿式起重機(jī)作為一種新型海洋裝備，有效提高了相同幅度下的起升高度。同時也因其獨特的結(jié)構(gòu)形式及占用船體或平臺空間小、回轉(zhuǎn)軸承直徑小、整機(jī)重量輕等優(yōu)勢，已逐漸得到用戶認(rèn)可。