船用起重機(jī)臂架防后傾支架設(shè)計(jì)

曾祥有

（豪氏威馬（中國(guó)）有限公司，福建 漳州 363122）

為了使動(dòng)臂起重機(jī)達(dá)到盡可能小的起重半徑，通常把動(dòng)臂的最大工作角度設(shè)計(jì)成盡可能的小，比如大于85度，接近90度。這就使臂架在多種條件下存在后翻的可能性。動(dòng)臂起重機(jī)柔性的變幅鋼絲繩，無(wú)法支撐臂架的后翻，因此，需要設(shè)計(jì)額外的剛性支架，用于支撐臂架。這一問題，在船用起重機(jī)中尤為突出。船用起重機(jī)所安裝的船體，在海浪的作用下，可能產(chǎn)生各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，容易使得臂架產(chǎn)生往后傾覆。

2020年5月，在德國(guó)羅斯托克碼頭，一臺(tái)正在測(cè)試的5000噸風(fēng)電安裝起重機(jī)，在進(jìn)行負(fù)載測(cè)試時(shí)，吊鉤發(fā)生斷裂，起重機(jī)突然失去載荷，引發(fā)船體發(fā)生了大角度傾斜，帶動(dòng)臂架后翻，直至撞擊在人字架頂部橫梁折斷。這一重大事故，造成了起重本身的嚴(yán)重毀壞，船體也嚴(yán)重受損，預(yù)計(jì)損失超過1億歐元。

從監(jiān)控視頻可以看到，在人字架的中部設(shè)有防后傾支架，但在臂架后翻時(shí)，未起到支撐作用。繼而臂架繼續(xù)后翻，直到和人字架頂部碰撞，臂架攔腰折斷。盡管此次事故的根本原因在于吊鉤的斷裂，但試想一下，假如在臂架和防后傾支架產(chǎn)生接觸的初始狀態(tài)下，支架強(qiáng)度足夠，便可阻止臂架加速后翻，避免造成后續(xù)的重大事故，從而減小事故造成的損失。

防后傾支架的設(shè)計(jì)載荷屬于一種特殊載荷，在設(shè)計(jì)中容易被忽視，有必要給予更多重視。

1 后傾發(fā)生的原因與計(jì)算方法

以圖1所示風(fēng)電安裝起重機(jī)為例，闡述臂架發(fā)生后傾的可能存在的多種原因，及其對(duì)應(yīng)的載荷計(jì)算方法。

1．1 限位開關(guān)、過載保護(hù)裝置失效

在動(dòng)臂起重機(jī)中，通常設(shè)置有臂架角度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)臂架角度，可設(shè)置最高角度限位。類似的，可在俯仰絞車卷筒設(shè)置鋼絲繩長(zhǎng)傳感器，同樣可以根據(jù)繩長(zhǎng)推算出臂架角度，對(duì)其設(shè)置臂架角度限位。同時(shí)，在俯仰滑輪組內(nèi)同時(shí)也配置了測(cè)重銷，可以監(jiān)測(cè)鋼絲繩的拉力，以此判斷俯仰力是否超載。最后，在防后傾支架上也安裝了接近開關(guān)，在臂架抬升到相應(yīng)的角度時(shí)，臂架起升會(huì)做出減速、停止等動(dòng)作，起到保護(hù)作用。

假設(shè)所有的傳感器同時(shí)失效，在臂架抬升到最高角度后，臂架和防后傾支架產(chǎn)生接觸，俯仰絞車?yán)^續(xù)工作，持續(xù)拉升臂架。此時(shí)，可使用變幅絞車可產(chǎn)生最大的扭矩作為輸入條件，計(jì)算支架上的載荷。當(dāng)臂架長(zhǎng)度較短時(shí)，用此方法的所得到支架載荷并不大。但當(dāng)臂架長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，變幅鋼絲繩對(duì)應(yīng)的力臂較長(zhǎng)，計(jì)算得到防后傾支架上的作用力將很大。如圖2所示。假設(shè)變幅絞車能產(chǎn)生最大的扭矩為T，絞車半徑為R，鋼絲繩最大拉力為T/R，鋼絲繩組的倍率為n，因此，可得變幅鋼絲繩上的最大拉力為n·T/R。其對(duì)應(yīng)的力臂為L(zhǎng)1，防后傾支架作用力相對(duì)于臂架鉸點(diǎn)的力臂為L(zhǎng)2，可計(jì)算得到支架上的作用力為n·T/R·L1/L2。

圖1 風(fēng)電起重機(jī)的組成

圖2 起重機(jī)傳感器分布圖

1．2 起吊重物突然卸載

考慮到意外事故或者操作失誤的因素，有可能發(fā)生重物的突然卸載。在載荷的作用下，臂架俯仰鋼絲繩將被拉長(zhǎng)，當(dāng)重物突然卸載時(shí)，伸長(zhǎng)的變幅鋼絲在在短時(shí)間內(nèi)仍將產(chǎn)生拉力，作用于臂架上。特別是起重機(jī)工作于最小工作半徑時(shí)，臂架處在最高角度，臂架與防后傾支架的距離很小。載荷突然卸載，伸長(zhǎng)的變幅鋼絲繩欲恢復(fù)原長(zhǎng)度，將產(chǎn)生較大的回彈力，作用在臂架上，直至臂架頂在防后傾支架上。此種情況下，變幅鋼絲繩的作用將引起臂架的彎曲變形，因此，可將變幅鋼絲繩和臂架結(jié)構(gòu)視為由兩個(gè)彈簧串聯(lián)組成的系統(tǒng)，根據(jù)變形條件，計(jì)算載荷突然卸載條件下，變幅系統(tǒng)的內(nèi)力，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何關(guān)系，可計(jì)算作用于防后傾支架上的力。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

起重機(jī)在最高工作角度時(shí)，在人字架頂部和臂架頭部之間的變幅鋼絲繩長(zhǎng)度為L(zhǎng)，鋼絲繩彈性模量為E，多根鋼絲繩橫截面積之和為A。在重物突然卸載前，變幅鋼絲繩受到的拉力為Fp，產(chǎn)生伸長(zhǎng)量為l1。

臂架在俯仰鋼絲繩反彈力的作用下，將產(chǎn)生彎曲變形。可以將其視為以臂架轉(zhuǎn)動(dòng)中心為鉸點(diǎn)，以防后傾支架為支撐點(diǎn)的外伸梁。

重新平衡后，假設(shè)此時(shí)鋼絲繩的內(nèi)力為，重新計(jì)算鋼絲繩的新伸長(zhǎng)量，臂架的彎曲撓度為，鋼絲繩的剛度為k1，臂架在懸臂梁條件下，彎曲變形剛度為k2。臂架彎曲撓度在鋼絲繩方向上的投影形變與鋼絲繩的新伸長(zhǎng)量之和，等于鋼絲繩原伸長(zhǎng)量，根據(jù)此等式可計(jì)算得到新的鋼絲繩內(nèi)力。

同理，根據(jù)力矩平衡條件，可計(jì)算支架上的作用力。

1．3 船體的運(yùn)動(dòng)造成臂架后傾

在吊鉤突然卸載情況下，考慮船體將產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，一般船體的運(yùn)動(dòng)包含三種運(yùn)動(dòng)形式，即橫搖運(yùn)動(dòng)、縱搖運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)。其中，橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)船體影響最大，假設(shè)一定的橫搖角度，根據(jù)船型，即可求得橫搖加速度。橫搖加速度作用在臂架重心上，臂架將發(fā)生后傾，作用與支架上，可求得支架上的作用力。還有一類船用起重機(jī)，沒有配備額外的臂架支撐架，在航行過程中，臂架被抬升到最高角度，和防后傾支架接觸，俯仰鋼絲繩保持一定的張緊力。在船體航行中，在海浪的作用下，臂架將承受相應(yīng)的船體橫搖加速度，加速度將作用在臂架的重心位置。把臂架視為外伸梁，在鋼絲繩的張緊力和加速度引起的橫向力的綜合作用下，可求得防后傾支架上的支反力。

1．4 船級(jí)社規(guī)范設(shè)計(jì)要求

對(duì)與防后傾支架的設(shè)計(jì)載荷的確定，在船級(jí)社規(guī)范里并未太多提及，在各種規(guī)范要求中，未對(duì)具體載荷的計(jì)算做明確規(guī)定，如中國(guó)船級(jí)社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中，對(duì)于第四類載荷（起重機(jī)承受特殊載荷），這些載荷中的第二類，起升鋼索破斷或帶平衡重的起重機(jī)平衡重突然跌落。在勞氏規(guī)范中提及，用20%安全工作載荷豎直向上，據(jù)此可計(jì)算出支架上的載荷，據(jù)此驗(yàn)算相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算得到防后傾支架上的最大作用力后，可綜合考慮，把和支架直接相連的臂架、人字架等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成同等強(qiáng)度，由此可保證整臺(tái)起重機(jī)在該工況下安全。值得一提的是，起重機(jī)類型不同，臂架長(zhǎng)度不同，按不同方法計(jì)算得到的支架作用力也差別很大。如用于風(fēng)電安裝的繞樁式起重機(jī)，由于臂架通常較長(zhǎng)，俯仰鋼絲繩作用線的力臂較長(zhǎng)，防后傾支架離臂架鏈點(diǎn)的位置又較近，俯仰鋼絲繩上的力會(huì)被放大多倍，在支架上得到很大的載荷，如按此載荷去設(shè)計(jì)臂架、人字架等結(jié)構(gòu)，勢(shì)必造成材料的浪費(fèi)。如重件運(yùn)輸船上安裝的重型桅桿式起重機(jī)，臂架長(zhǎng)度較小，按以上各種方法計(jì)算得到的支架上的作用力并不。因此，有必要根據(jù)具體情況，選擇合適的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，合理設(shè)計(jì)防后傾支架系統(tǒng)。