半潛起重船吊機(jī)升沉補(bǔ)償裝置參數(shù)優(yōu)化研究★

劉 博 秦立成 彭甲志 高瑩瑩

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

1 升沉補(bǔ)償裝置參數(shù)優(yōu)化的意義

半潛起重船海上吊裝施工時(shí)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致吊纜受力過大，為了減少受力，本文對普通缸、復(fù)合缸、串聯(lián)缸和并聯(lián)缸吊機(jī)的升沉補(bǔ)償裝置進(jìn)行了探討，研究了升沉補(bǔ)償裝置機(jī)理并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了升沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的被吊重物產(chǎn)生過大的受力。橫搖和縱向運(yùn)動(dòng)可由萬向節(jié)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置來克服，縱向和橫向平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)可由螺旋槳的動(dòng)力定位或系泊限制系統(tǒng)補(bǔ)償。垂向升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)對起重機(jī)設(shè)備產(chǎn)生較大的影響，由于過大的升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致被吊重物產(chǎn)生過大的運(yùn)動(dòng)，并且產(chǎn)生較大的起重力。因此，需要研究相關(guān)的補(bǔ)償裝置以便減小垂蕩運(yùn)動(dòng)對被吊物的影響。

目前根據(jù)能量來源的不同可將升沉補(bǔ)償系統(tǒng)分為主動(dòng)、被動(dòng)和半主動(dòng)三種。主動(dòng)系統(tǒng)由液壓泵供電，滯后幅度小，補(bǔ)償?shù)木群芨撸馁M(fèi)能量大。被動(dòng)系統(tǒng)能量全部來自船舶升沉產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，無需附加電源，但滯后非常嚴(yán)重，精度補(bǔ)償?shù)汀０胫鲃?dòng)系統(tǒng)綜合了前兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，由蓄能器和液壓泵提供能量，既能兼顧提高補(bǔ)償精度，又能降低系統(tǒng)能耗。在實(shí)際應(yīng)用中，船用起吊設(shè)備將在2級～6級海況下作業(yè)發(fā)生劇烈的升沉運(yùn)動(dòng)，利用升沉補(bǔ)償系統(tǒng)可以減小升沉運(yùn)動(dòng)，從而使起重機(jī)能夠正常起升作業(yè)。

2 升沉補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)方法

2.1 串聯(lián)油缸方式

常見的主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)通常采用四種設(shè)計(jì)方案，即普通缸、復(fù)合缸、串聯(lián)缸和并聯(lián)缸。圖1顯示了氣缸系列的設(shè)計(jì)方案。雙缸系列是在一條直線上使用主動(dòng)缸2和被動(dòng)缸1。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行力的疊加，利用能量實(shí)現(xiàn)了升沉的補(bǔ)償。主要能量由被動(dòng)氣缸提供，而較少的能量由主動(dòng)氣缸提供，這使得兩個(gè)氣缸很難協(xié)調(diào)，主要是因氣缸1的尺寸大，氣缸2的尺寸相對小。加上雙缸串聯(lián)使用，安裝難度很大，因此船舶甲板上需要預(yù)留較大的安裝空間，實(shí)際應(yīng)用很少。

2.2 并聯(lián)油缸方式

并聯(lián)系統(tǒng)有兩個(gè)主動(dòng)缸、一個(gè)被動(dòng)缸，分布如圖2所示，被動(dòng)缸2、主動(dòng)缸1，3的活塞桿頂部與滑輪支架由柔性連接。位移提升由被動(dòng)油缸2進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)的負(fù)載慣性和摩擦主要由兩側(cè)主動(dòng)油缸負(fù)責(zé)補(bǔ)償。該系統(tǒng)減少了縱向安裝在船體上所占的空間，并且在運(yùn)動(dòng)過程中主動(dòng)缸和被動(dòng)缸之間的連接類似于差動(dòng)連接，提高了響應(yīng)速度。

2.3 普通油缸方式

普通油缸方案如圖3所示，采用了單缸的主要形式，代替了被動(dòng)缸與主動(dòng)缸，避免了多缸在空間上的配合；單缸的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，在船體上占用的安裝空間小，體積小，缸體數(shù)量少，系統(tǒng)簡單；只有一個(gè)缸，減小系統(tǒng)耗能，提高了機(jī)械效率。但是在無桿腔油口處，蓄能器與主動(dòng)液壓系統(tǒng)協(xié)同完成補(bǔ)償動(dòng)作實(shí)現(xiàn)難度較大。

2.4 復(fù)合油缸方式

如圖4所示的復(fù)合油缸設(shè)計(jì)方案，在保留了單液壓缸方案的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，還能夠方便地實(shí)現(xiàn)由蓄能器來補(bǔ)償負(fù)載大部分的升沉位移，液壓泵只向復(fù)合缸的B腔、C腔供油，其能量用來抵消系統(tǒng)摩擦力和負(fù)載慣性，降低能耗；同時(shí)，復(fù)合缸的B腔與C腔截面相等，流量進(jìn)出B腔與C腔的一致。復(fù)合油缸的空間結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造增加了一定的難度，由于空間的復(fù)雜性，在制造上和維修成本上都會(huì)大大增加成本。

2.5 升沉補(bǔ)償裝置

本升沉補(bǔ)償裝置整體方案選為復(fù)合液壓缸式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。其中液壓缸作為執(zhí)行件采用集成了主動(dòng)缸與被動(dòng)缸性能的復(fù)合缸形式，如圖5所示。

復(fù)合缸包括三個(gè)腔分別是A腔、B腔、C腔，A腔與蓄能器連接是通過a口，B腔與蓄能器連接是通過c口，C腔與蓄能器連接是通過c口。當(dāng)復(fù)合缸只起被動(dòng)缸的補(bǔ)償作用時(shí)，B腔就與C腔連接，即通過油管連接b口與c口。從圖中可以看出，B室和C室的油速相同。為了使B室在單位時(shí)間內(nèi)排出的油量與進(jìn)入C室的油量相同，必須使B室與C室具有相同的工作面積。

其工作原理如下：

1)當(dāng)船舶靜止時(shí)，升沉補(bǔ)償系統(tǒng)不工作。

2)在平靜海面上工作時(shí)，可切換到被動(dòng)升沉補(bǔ)償模式。此時(shí)，旁通閥10開始連通，方向閥7在中間位置工作。船舶上浮時(shí)，由于活塞的慣性作用下保持平衡，A室的液壓油將會(huì)被壓回到蓄能器，C室的容積減小，活塞桿縮回，液壓油將會(huì)被壓到B室，以補(bǔ)償負(fù)載上升的位移。當(dāng)船舶下沉?xí)r，A室容積變大，蓄能器中的油被壓回A室，B室中的液壓油被壓回C室，補(bǔ)償下降的位移。

3)惡劣海況作業(yè)時(shí)，應(yīng)切換模式。船舶上升時(shí)，活塞在慣性作用下將會(huì)趨于平衡位置，A室容積減小，液壓油將被壓回蓄能器中。控制器11使閥7在正確的位置工作，液壓油通過端口b壓入腔室B，補(bǔ)償負(fù)載的位移上升。當(dāng)船體下降時(shí)，A室容積增大，蓄能器將液壓油壓入到A室，同時(shí)控制器11向左連接換向閥7，液壓油在變量泵的作用下進(jìn)入C室。腔室B中的液壓油返回油箱通過b端口，驅(qū)動(dòng)活塞桿向外伸出，以補(bǔ)償負(fù)載的向下移動(dòng)。

升沉補(bǔ)償裝置參數(shù)確定及優(yōu)化技術(shù)協(xié)議書中關(guān)于升沉補(bǔ)償裝置給出的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，先分析船舶升沉運(yùn)動(dòng)規(guī)律及補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再根據(jù)設(shè)計(jì)方案及技術(shù)要求完成主要部件的計(jì)算。

表1 油缸式主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

3 船體及補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)分析

海浪的運(yùn)動(dòng)可近似寫為：

(1)

波浪的運(yùn)動(dòng)近似為正弦運(yùn)動(dòng)，表示為：

(2)

波浪運(yùn)動(dòng)頻率與船舶的升沉運(yùn)動(dòng)相同且振幅較小時(shí)：

(3)

不受船體運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)，補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足：

(4)

以上各式中，T為海浪周期；θ為初始相位角；H為海浪波高；μ為船的升沉位移與海浪波高之比。

4 復(fù)合油缸設(shè)計(jì)

與普通油缸的計(jì)算方法一致，其尺寸標(biāo)記如圖6所示。

當(dāng)工作載荷m=500 t，載荷Q=4 900 kN。

最大靜拉力為:

(5)

其中，mh為滑輪組倍率，本系統(tǒng)取m=1；ηz為滑輪組效率；ηD為導(dǎo)向滑輪效率。

液壓缸實(shí)際推力為:

(6)

其中，ηm為液壓缸機(jī)械效率。

平衡的方程：

(7)

內(nèi)徑的計(jì)算：

(8)

其中,μg為液壓缸負(fù)載率；d為復(fù)合缸的內(nèi)徑；η為液壓缸的總效率；p為系統(tǒng)的壓力。

復(fù)合缸體壁厚的影響：

(9)

其中，[σ]為缸底材料的許用應(yīng)力；k0為缸體壁厚,m。將數(shù)據(jù)代入式(10)，得k0≥199.5 mm。

在升沉補(bǔ)償完全被動(dòng)式系統(tǒng)模式下，B室與C室的流量與作用面積相同。

(10)

當(dāng)p≥7 MPa時(shí)，d1/d0=0.7，代入式(8)，初選d0=770 mm，d1=540 mm。

復(fù)合油缸活塞桿為空心結(jié)構(gòu)，因此桿壁的應(yīng)力σ必須小于其材料的許用應(yīng)力[σ]：

(11)

其中，k1為活塞桿壁厚,m；[σ]=σb/1.4，σb為材料的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)為無縫鋼管時(shí)，σb=100 MPa～110 MPa，此處取σb=100 MPa。解得，k1≥74.5 mm，取k1=75 mm。

設(shè)計(jì)中要求最大的升沉補(bǔ)償高度為±1.5 m，滑輪組為單倍率設(shè)計(jì)，根據(jù)式(6)可知，活塞桿補(bǔ)償距離為1.2 m，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊GB 321—1980優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)列，取活塞行程l=1 250 mm。

長度L公式：

L>l+K+C

(12)

其中，l為活塞行程，m；L為缸體長度，m；活塞的厚度K=(0.6～1)d。

油口直徑滿足下面的公式:

(13)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得da=27.9 mm，圓整為da=30 mm。

缸底有油口的缸底厚度滿足下面的公式：

(14)

根據(jù)p=0.25[σ]，取[σ]=126 MPa。代入數(shù)據(jù)并圓整得，h=200 mm。

根據(jù)以上計(jì)算，復(fù)合油缸設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 復(fù)合油缸相關(guān)參數(shù)

5 研究結(jié)論

在海上風(fēng)、浪、流的作用下起重船將產(chǎn)生六個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)，在起吊作業(yè)中被吊物將一起運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致吊纜受力過大。本文的研究成果不僅為常規(guī)項(xiàng)目提供了技術(shù)支持，也為我國后續(xù)深水半潛式起重船吊機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考。研究對比分析了四種油缸式的升沉補(bǔ)償方案，通過對項(xiàng)目給定的海況、船舶升沉運(yùn)動(dòng)規(guī)律、補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)規(guī)律及液壓系統(tǒng)的綜合分析，提出了采用復(fù)合液壓缸式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的方案，并完成液壓系統(tǒng)原理及主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括：系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)流量、復(fù)合油缸、蓄能器等，給出了油缸、蓄能器及系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)參數(shù)，為副起升500 t升沉補(bǔ)償功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及進(jìn)一步的元件選型奠定了基礎(chǔ)。