多功能環梁升降系統的設計

陳 峰，陸 軍，喻 祥

（廣東東軟學院，廣東佛山 528234）

0 引言

定位樁升降系統在國外海工行業已經有十分廣泛的應用，特別在大負載、大尺寸平臺升降領域，但其研究方向大多是如何解決定位樁快速升降以及如何解決升降系統同步，并未考慮拖航時的工作效率等問題[1]。因此，本文在此研究基礎上，創新設計可拆解的四邊形環梁結構，通過同步運動的橫梁來取代原有圓形環梁結構，在拖航時拆解四邊形環梁，解除升降系統對定位樁鎖定功能，同時通過側向拉力驅動油缸將定位樁水平放置，從而達到傾倒定位樁，降低定位樁重心的目的。

本文以某海洋平臺為例，通過研究多功能環梁升降系統的主要組成部分，分析可降低定位樁重心的升降結構設計，以及各零部件所需要達到的結構強度，從而解決傾倒定位樁，降低定位樁重心等問題，既可以實現自升式平臺的升降，又可以降低定位樁的重心，同時還能傾倒定位樁。這樣不僅可以縮短疏浚船舶和海洋工程船舶的施工準備時間，而且簡化了安裝工藝，改善了船舶在拖航過程中的受力狀況，從而增加了船舶在拖航過程中的穩定性，大大提高船舶施工作業效率[2]。

1 系統總體設計

本文以海上自升式平臺為研究對象，開展了可傾倒定位樁升降系統的研究，設計了升降單元和液壓—電控系統，實現系統的自動控制。

根據技術規格書要求，本文研究的定位樁升降系統主要參數如下：單樁額定舉升載荷為150 t；單樁預壓載荷為200 t；單樁風暴支持載荷為300 t；升降平臺速度為9 m/h；升降系統的設計升降次數不小于2 000次。

從技術性能參數出發，升降系統設計可以分為以下幾個方面：（1）升降單元，負責平臺升降；（2）液壓系統，負責給升降單元提供動力，保證升降過程中的持續動力；（3）電氣控制系統，保證升降的同步性和安全性；（4）傾倒定位樁裝置。多功能環梁升降系統的總體結構圖如圖1所示。

圖1 多功能環梁升降系統結構圖

2 升降單元設計

2.1 結構設計

工作平臺的升降方式是在樁腿上安裝升降單元，通過升降單元運動帶動平臺移動，有時還需要傾倒定位樁等操作。因此，有必要研究升降單元內部零件可靠性，比如插銷零件的抗彎曲強度、提升油缸的保壓能力等。定位樁升降系統在國內外海工行業已經有十分廣泛的應用[3]，特別在大負載、大尺寸平臺升降領域。本文研究設計的多功能環梁升降單元的結構示意圖如圖2所示。

圖2 多功能環梁升降系統示意圖

多功能環梁升降系統包括有配對的動環梁、定環梁以及升降油缸，動環梁由第一框架上梁、第二框架上梁和兩根拉桿組成，在有定位樁樁腿銷孔的兩個面上分別安裝第一框架上梁和第二框架上梁，并且，第一框架上梁和第二框架上梁通過拉桿構成了一個封閉的空間，定位樁垂直安裝在該閉合空間內，通過拉桿和其他輔助傾倒裝置可使定位樁水平擱置；下環梁由第一框架下梁和第二框架下梁組成固定在動環梁的正下方，同時，這4個框架梁中都有1個插銷油缸裝置，控制系統可控制插銷插入對應定位孔，實現與定位樁的固定。

2.1.1 動、定環梁

第二天，全城的媒體都在報道得這起觸目驚心的寄尸案，當然是邊峰所在的《江城快報》報道得最為詳盡，他甚至詳細披露了死者腎臟丟失以及臟器中有“卍”型標，甚至兇手可能把作案用車遺留火車站停車場等細節，這是其他媒體所不能比的，結果這一天的《江城快報》脫銷。

按《海上移動平臺入級規范》2012表3.4.2.3中規定，在靜載工況下，等效應力安全系數為1.43；組合工況下，等效應力安全系數為1.11。材料的性能指標如表1所示[4]。

表1 材料性能指標表

通過對各種環梁技術方案進行經濟技術法分析，決定選用DH36作為環梁的材料，在保證結構強度的情況下，大幅度降低加工成本，提高經濟效益。

2.1.2 升降油缸

升降油缸由耳環、缸筒、前端蓋、活塞桿、導向套、鎖圈等組成，如圖3所示。升降油缸兩端采用耳環加軸承的安裝方式，用于補償環梁與樁腿間因為間隙而產生的油缸擺動，耳環與活塞桿采用分體式制造，在滿足安裝精度的條件下，降低了整體加工成本，缸筒的后端蓋通過螺紋與缸筒進行配合。

圖3 提升油缸圖

2.1.3 插銷

插銷是升降系統的核心零件之一，在升降過程中要承受巨大的垂直作用力，在設計時采用CAE軟件輔助計算其結構強度與屈服穩定性。由以往的設計經驗來看，承載截面一般選擇圓形或正方形截面。首先用Soild works將插銷的三維圖模型建好，然后導入ANSYS16.1，接著設置網格化結構并給其施加載荷[5]。通過多次分析計算如圖4所示，最后繪制出插銷的零件圖如圖5所示。

圖4 ANSYS仿真圖

圖5 插銷結構圖

2.2 工作原理

研究設計的環梁液壓升降裝置，當定位樁需要上升時，動環梁的插銷插入樁腿銷孔，同時定環梁的插銷拔出，液壓系統給升降油缸的無桿腔打油，推動活塞桿伸出，從而帶動動環梁運動（升降油缸的一個單位運動行程為相鄰兩個定位孔之間的距離），便可讓定位樁上升兩個相鄰定位孔之間的距離；如需繼續上升定位樁，動環梁的插銷拔出，定環梁的插銷插入，之后升降油缸縮回，然后動環梁的插銷插入，定環梁的插銷拔出，之后升降油缸的活塞桿再次伸出至最近的一個定位銷孔，如此往復運動，直至定位樁上升到所需要的高度為止[6]。

當需要降低定位樁時，定環梁插銷插入，動環梁的插銷拔出，液壓系統向升降油缸無桿腔打油讓活塞桿伸出，然后動環梁的插銷插入定位樁的定位銷孔，定環梁的插銷拔出，升降油缸的活塞桿做回程運動，便可降低定位樁的高度；如需繼續降低定位樁時，定環梁插銷插入，動環梁插銷拔出，之后升降油缸伸出，動環梁插銷插入，定環梁插銷拔出，之后升降油缸再次縮回，如此循環往復，直至定位樁下降到所需高度為止[7]。

當船舶需要進行拖航時，首先打開動環梁的兩根拉桿，讓第一框架上梁和第二框架上梁分開，然后再拔出動環梁原本插入樁腿的插銷，使定位樁脫離本環梁升降裝置的鎖緊固定，最后通過支點側向拉力油缸將定位樁水平擱置，如圖6所示。通過改變傳統環梁升降的設計思路，使其既可以實現自升式平臺的升降，又可以降低定位樁的重心，同時還能傾倒定位樁。這樣不僅可以縮短疏浚船舶和海洋工程船舶的施工準備時間，而且簡化了安裝工藝，改善了船舶在拖航過程中的受力狀況，從而增加了船舶在拖航過程中的穩定性，大大提高船舶施工作業效率。

圖6 新型定位樁示意圖

3 液壓—電控系統研究

3.1 液壓系統

整個液壓系統有1臺大液壓泵站，分別為4個樁腿提供動力。液壓泵站的總成由主油泵電機組、液壓動力單元、獨立液壓泵組等組成。

液壓動力單元中配置有調壓閥和電磁溢流閥，設定系統限定的壓力值和卸荷回路，泵啟停時自動卸荷，避免泵帶載啟動與停機。液壓動力單元布置在主甲板以下機械設備室內，設計時應該滿足層高要求，方便技術人員操作和維護[8]。液壓動力單元還配有回油風冷式油冷卻器和液壓油低溫電加熱器，通過溫度傳感器控制加熱器的開啟和關閉，以確保液壓系統的穩定運行，同時可通過其檢測油溫高低，控制通風機的自動啟停。

油箱的設計應為碳鋼材質，內有耐油涂層，可保證液壓油的清潔，液壓缸內裝有液位計、溫度計、液位繼電器、溫度傳感器，以便于液位和油溫的檢測。

3.2 電控系統

電控系統主要包括泵站控制柜和樁邊操作箱部件。

泵站控制的具體功能有：（1）緊急停止功能。各樁腿既可以聯動，又可以單動，根據實際操船情況作業。（2）平臺傾斜保護功能。傾角傳感器實現測量平臺傾斜角度，當平臺傾斜角度超過限定值后，進行自動報警并停止升/降作業。（3）實現泵站電機的啟停、運行指示、故障報警功能設有本地控制模式，操作者在樁旁操作箱完成操作。

4 結束語

本文以某海洋平臺為例，設計研究了多功能環梁升降系統的主要組成，分析了可降低定位樁重心的升降結構設計，研究了各零部件所需要達到的結構強度，介紹了多功能環梁升降系統的工作原理和如何傾倒定位樁等，以及升降系統中的液壓—電控系統組成和主要功能。結果表明，設計符合CCS相關規范要求，可為環梁液壓插銷升降設計者提供參考。