船用起重機選型與布置研究

劉璧鉞 吳慧敏 邵武豪 金 楊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

船舶運輸具有載貨量大、運價低等優點，適合于運輸各類大宗貨物和大型設備。在現代物資流通領域內，船舶運輸仍然是不可替代的運輸方式之一。隨著世界經濟一體化的進展，各國經濟互補性日益增強，國際貿易的迅猛發展給船舶運輸帶來了巨大的發展空間。

船舶一般都會配備船用起重機，用于進行各種吊運作業。船用起重機型式多樣、起重量大、操作性能優良、用途極其廣泛，幾乎涵蓋了各類船舶和各種船型，是現代船舶不可或缺的重要配套設備之一。

然而，在船舶上布置起重機有諸多不便，主要體現在以下方面：

（1）起重機的位置需滿足其實際作業需求和用途，這將直接影響其使用效果；

（2）起重機會占用極其有限的甲板空間，并影響到其他船用設備或舾裝件的布置；

（3）起重機高度較高、吊臂回轉半徑較大，吊臂和吊鉤可能會同船舶上建或者其他設備、設施發生干涉；

（4）起重機自重較大，其在船舶上的位置會對船舶性能產生較大影響。

綜上所述，船用起重機的位置影響其自身的使用效果與船舶性能，并且直接關系到船上其他建筑、設備的布置與使用。因此，確定一個合適的位置對改善起重機的使用效果、提升起重機的作業效率、有效利用船上空間、優化船舶總體布局以及增進船舶性能具有重要意義。

然而，現階段專家學者或科研機構對船用起重機布置的研究較少，也未有人全面系統地對船用起重機選型與布置的原則、流程及注意事項進行梳理與總結。

船用起重機布置的一大重點就是防范起重機與船上其他建筑和設備、設施發生干涉，而現有的二維設計方法對干涉的檢查較為困難，尤其在高度方向上很難檢查出干涉情況。運用三維建模技術，將起重機放置在以船舶為背景的三維環境中，則能清晰地發現起重機與船上其他建筑和設備是否存在干涉。

本文以船用起重機為研究對象，通過明確起重機的選型與布置原則、梳理起重機的選型與布置流程、總結起重機三維布置審查要點，規范三維校審流程，旨在指導不熟悉船用起重機的技術人員。基于文中所述布置方法，技術人員能快速確定起重機的位置，同時利用CATIA 三維設計軟件，在三維環境中快速檢查起重機的干涉情況，驗證起重機位置的合理性。

本文以2 000 t 自升自航式一體化海上風電安裝平臺項目為依托，基于船上的雜物吊，著重分析變幅回轉類型起重機的模型簡化、選型和布置原則及流程。

1 起重機簡化模型

在進行起重機布置工作之前，應當根據變幅回轉起重機的主要尺寸參數，建立簡化的起重機模型。

變幅回轉式起重機主要由底座、塔身和吊臂三大部分構成，同時具備變幅機構和回轉機構。變幅過程通過改變吊臂的長度或俯仰角完成，回轉過程通過驅動回轉機構帶動塔身和吊臂旋轉完成。因此，變幅回轉式起重機的主要尺寸參數包括：底座高度、底座截面尺寸、塔身高度、塔身截面尺寸、起重機總高度、吊臂截面尺寸、最大工作半徑和最小工作半徑。

基于上述主要尺寸參數，建立變幅回轉起重機的簡化三維模型示意圖，如下頁圖1 所示。 本文中，變幅回轉起重機的塔身和底座簡化為圓柱體，吊臂簡化為四方體，坐標原點位于起重機最底端回轉中心，X 軸指向船首、Y 軸垂直向上、Z軸指向右舷。

圖1 起重機三維簡化模型

通過上述主要尺寸參數，建立出簡化的起重機模型，隨后結合船舶三維背景，開展起重機的位置校審工作。

2 起重機選型原則及方法

2.1 起重機選型原則

船用起重機在選型時，一般遵循以下原則：

（1）起重機用途及功能

這是起重機選型首要考慮的因素。起重機一般包括用于貨船和集裝箱船的貨物吊機、用于油船輸油管的軟管吊機、用于各類船舶的雜物吊機、用于海洋工程作業船舶的吊機、用于漁船的起網吊機以及其他專用吊機等，而即使是在同一艘船上，不同吊機的用途和起吊對象也不盡相同，因此起重機選型需考慮不同的用途和功能。此外，需進行舷外和舷內作業的就需設置回轉式起重機，需要在高度變化較大的范圍內吊運貨物的就需設置變幅式起重機。另外，所吊貨物重量決定了吊機的安全工作負荷，如要大范圍吊運貨物，則需要工作半徑較大的起重機。

（2）船舶主尺度和布置情況

船舶的大小和重量限制了起重機的大小和重量，船舶甲板空間的富裕程度也決定了起重機的工作范圍和存放形式。如果船舶甲板空間較為緊張，優先考慮能在較小空間內存放的折臂式或伸縮式起重機。

（3）起重機驅動方式

目前起重機常見的驅動形式有電動機驅動和電動液壓驅動。電動液壓驅動輸出扭矩大且可調。其能夠在運行過程中實現大范圍的無級調速、緩沖平衡性好、可吸收沖擊和防止過載、運動慣性小、響應速度快，故其適用于低轉速、高功率的場合。電動機驅動的輸出扭矩較小，需安裝變頻器來調節轉速，而變頻電機在改變轉速時扭矩變化很大：低轉速時扭矩顯著降低，啟動時扭矩極小；若加大啟動扭矩，就必須加大功率，但由此也會對設備造成較大沖擊，故其適用于高轉速、低功率的場合。因此，需根據實際情況和船東需求選擇起重機的驅動方式。

2.2 起重機主要參數

基于2.1 節的起重機選型原則，得到起重機選型時的幾個主要參數：

（1）吊臂型式：普通吊臂、折臂式吊臂、伸縮式吊臂或折臂+伸縮式吊臂等；

（2）驅動形式：電動液壓驅動、電動機驅動等；

（3）安全工作負荷；

（4）最大/最小工作半徑；

（5）回轉范圍；

（6）起升速度/回轉速度/變幅速度；

（7）重量及收存體積等參數。

2.3 起重機選型方法

基于起重機的選型原則和主要參數，歸納出起重機選型的主要方法：

（1）吊臂型式。確定吊臂型式時，需要考慮起重機的工作范圍和收存體積，如果工作范圍較大且收存體積要求較小，則首要考慮折臂式、伸縮式或折臂+伸縮式起重機。

（2）驅動形式。在考慮驅動形式時依據具體工況和船東要求決定，目前較多使用電動液壓驅動形式。

（3）安全工作負荷。依據所吊貨物的最大重量確定安全工作負荷，安全工作負荷一般不小于所吊貨物的最大重量。

（4）最大/最小工作半徑。最小工作半徑不大于吊機回轉中心到最近端貨艙口近邊角隅處的距離；最大工作半徑不小于吊機回轉中心到最遠端貨艙口遠邊角隅處的距離，以此保證吊機在裝卸作業時，吊鉤工作區域能夠覆蓋整個貨艙口區域，且能滿足吊臂伸出舷外或吊運舷外貨物的距離要求。

（5）回轉范圍。保證吊機在作業時不與船上其他設備或上層建筑干涉。

（6）起升速度、回轉速度、變幅速度、重量和收存體積等參數。根據船上空間、船上布置情況、船舶性能要求、船東要求及設備廠吊機的系列參數確定。

3 起重機布置原則及流程

3.1 起重機布置原則

布置船用起重機時，最終的位置往往由諸多因素共同決定，需考慮以下原則：

（1）起重機的用途和功能直接決定了起重機布置的大致區域。例如：需進行舷外作業的起重機應考慮將其布置在船舶舷側；若所吊貨物位于船舶兩側，應考慮將起重機布置在船舶中線處；用于專門吊運特定類型貨物的起重機應布置在相應貨艙口附近。綜上所述，起重機的工作范圍應能完全覆蓋吊運作業所要求的區域，能夠滿足其作業需求和用途。

（2）起重機的最大工作半徑與起重機回轉中心距最遠端貨艙口的距離。起重機的位置應保證其最大工作半徑能夠覆蓋最遠端的貨艙口，且能滿足吊臂伸出舷外或吊運舷外貨物的距離要求，一般吊臂的舷外吊距≥3.5 m。

（3）船舶性能要求需與總體專業協商。布置起重機時應考慮起重機對船舶重量、重心及穩性的影響，在滿足船舶性能要求的前提下，確定合適的位置。

（4）船舶總體布置限制條件。船舶上有諸多設備，如系泊設備、救生設備、桅檣信號設備或其他作業設備等。起重機的位置應保證其在正常作業時不與上述設備和上層建筑發生干涉。在布置起重機時還應考慮其對駕駛室視線的影響。

（5）吊臂存放所需空間。船上空間極為有限，在布置起重機時，應確保該位置下有足夠空間存放吊臂，同時應保證吊臂在存放時不與船上設備或上層建筑發生干涉、不影響其他設備作業。

（6）在滿足上述5 點的前提下，可以微調起重機的位置。微調時應盡量確保起重機底座回轉中心位于甲板結構強框架附近或者縱、橫框架的交點處。

3.2 起重機布置流程

明確起重機布置的幾個主要原則后，在布置時應遵照以下流程：

（1）依據起重機的作業范圍、用途和功能，大致確定一個布置范圍，例如：在船舶的舷側、船體中線處、船舯、船尾、船首、哪層甲板或平臺以及整體高度等。

（2）依據船舶的性能要求、貨艙口位置、舷外起吊距離要求和吊臂存放空間要求等因素，在本小節第（1）點的基礎上確定一個更加具體的位置，使其能滿足第（2）點所述要求。

（3）依據本小節第（1）點和第（2）點的要求確立了一個初步的位置后，需檢查起重機在作業和存放時，是否影響船上其他設備作業、是否遮擋駕駛室視線、是否與船上設備或上層建筑發生干涉；若發生干涉，則需小幅度調整起重機的位置，使其不發生干涉或不影響其他設備作業，或設置限位角控制起重機的回轉范圍和俯仰范圍。

（4）通過以上3 點確定了較準確的起重機位置后，若還能進行一定程度的微調，應使吊機底座回轉中心位于甲板結構強框架附近或置于縱、橫框架交點處。

需特別指出的是，起重機的位置并不是由某個因素唯一決定，往往是諸多因素共同決定其最終位置，這其中勢必會出現某些因素相互沖突的情況。若無法滿足所有因素，則需要各個專業間相互協調，取一個折中的方案。

3.3 起重機布置實例

2 000 t自升自航式一體化海上風電安裝平臺需設置1 臺電動液壓雜物吊，用于搬運主甲板上的小型貨物、備品及機艙貨物等。

依據第2 章的選型方法，確定出雜物吊的主要參數如表1 所示。

表1 雜物吊主要參數

依據3.2節的起重機布置流程，以該雜物吊為例，對布置過程進行分析。

首先，需要基于起重機的作用和功能，確定其大致位置。該雜物吊主要用于吊運主甲板上的小型貨物、備品及機艙貨物等，而機艙和備件間對應的艙口蓋位于船舯；且雜物吊需要進行舷外作業。因此，該雜物吊的大致位置應該在船舯、主甲板上，以及近舷側和貨物艙口蓋附近。

下頁圖2為風電安裝平臺主甲板俯視圖。綠框圈出的區域為中部主甲板范圍，雜物吊的布置區域應在綠框范圍內、靠近舷側、位于貨艙口蓋附近，且不與船上其他設備、設施發生干涉。

圖2 風電安裝平臺主甲板俯視圖

此外還應注意以下問題：

（1）平臺有4條樁腿且樁腿高度較高，因此雜物吊的位置應保證吊臂在俯仰和回轉過程中不與樁腿發生干涉；

（2）平臺中部主甲板區域需要存放風機的機艙、塔筒和扇葉，雜物吊不能與上述設備發生干涉，不影響上述設備向舷外的吊運作業；

（3）平臺右舷配置了1臺2 000 t的主起重機和1臺200 t的輔助起重機，右舷空間極為有限，雜物吊的布置不能影響上述2臺起重機的正常作業。

綜上所述，對雜物吊位置進一步細化，雜物吊應布置在左舷舷側，不與樁腿以及風機機艙、塔筒和扇葉發生干涉的位置。在滿足上述所有條件的前提下，初步選定圖2中紅框圈出的3個區域作為待選位置。

然后，依據雜物吊的工作范圍、最大工作半徑和貨艙口位置等因素，縮小雜物吊的布置范圍。

圖3中藍框圈出的為機艙貨物艙口蓋、備品艙口蓋位置，雜物吊的最大工作半徑應能夠覆蓋所有貨艙口。

圖3 風電安裝平臺雜物吊區域選擇

由圖3可知，雜物吊若布置在區域1，則其最大工作半徑無法覆蓋備品艙口蓋1和備品艙口蓋2；若布置在區域3，則為了使吊臂在存放時不與樁腿2、樁腿3以及輔助起重機干涉，只能將吊臂橫向置于甲板之上。在此位置下，吊臂擱架和吊臂會影響駕駛室視線，且吊臂距離輔助起重機較近，可能影響其作業。

綜上所述，通過進一步的優化分析與選擇，將起重機的布置區域縮小在區域2。

最后，依據吊臂的存放空間、舷外起吊距離，以及是否會與船上的設備和設施或上層建筑發生干涉等要求，在區域2內進一步調整雜物吊位置。

區域2舷側能夠容納吊臂的空間有限，且吊臂不能橫向放置。在平行舷側縱向放置吊臂時，如果吊臂朝向船尾，則會占據中部甲板舷側上方空間，影響風機機艙、塔筒和扇葉的舷外吊運作業。吊臂在舷側縱向存放時不能與樁腿干涉。

綜上所述，雜物吊回轉中心在區域2內應盡量靠近舷側、靠近船首，吊臂平行舷邊朝向船首縱向存放；同時，在條件允許的情況下，雜物吊回轉中心最好在主甲板強框附近且置于縱、橫框架交點處。

最終確定的雜物吊位置如圖4所示。其回轉中心位于FR.135肋位，距離船舯23 437.5 mm；吊臂平行舷邊、朝向船首縱向存放；吊臂存放時距離樁腿最近處約835 mm，不與樁腿干涉；雜物吊的最大工作半徑能夠覆蓋所有貨艙口。此外，為了使雜物吊在作業時不與樁腿干涉，應設置54°限位角。

圖4 風電安裝平臺雜物吊位置

4 起重機三維布置審查要點

由于二維圖紙能夠表達的位置和尺寸信息有限（尤其難以清晰表達高度方向上的信息），因此基于二維圖紙確定出起重機的最終位置后，本文運用三維建模技術，將起重機放置在以船舶為背景的三維環境中，檢測起重機與船上建筑和設備是否發生干涉。

4.1 搭建三維布置審查環境

起重機的三維審查環境包括兩大部分內容：

（1）起重機簡化模型

依據第1 章確立的起重機主要尺寸參數，建立起重機簡化模型。

（2）船舶三維布置背景

包括船舶的系泊設備、救生設備、桅檣信號設備，以及其他作業設備、船舶上建、各層甲板和平臺等。

4.2 三維布置審查流程

起重機的三維布置審查流程如下：

步驟1：基于變幅回轉起重機的主要尺寸參數，以起重機底座最下端的回轉中心作為坐標原點，建立起重機簡化模型。

步驟2：在船舶三維背景中，確定起重機底座回轉中心所在位置（，，），將起重機三維模型整體置于位置點（，，）上，以吊臂存放位置作為吊臂的初始位置，從而在三維環境中確定出起重機的位置和初始姿態。

步驟3：依據起重機底座、塔身、吊臂的截面尺寸、高度尺寸、吊臂的最大/最小回轉半徑、回轉限位角和吊臂俯仰角，確定起重機作業空間的包絡面。可通過設置起重機的回轉限位角和吊臂俯仰角來限制起重機的作業空間。圖5 為不設回轉限位角和吊臂俯仰角時的包絡面和回轉限位角90°、吊臂俯仰角60°時的包絡面（包絡面為陰影部分）。

圖5 變幅回轉起重機作業范圍包絡面

步驟4：將起重機簡化模型按指定位置置于船舶三維背景中，多角度觀察起重機在存放狀態時是否和船體及其他船舶設備發生干涉；隨后觀察起重機在作業過程中形成的包絡面是否和船體及其他船舶設備發生干涉。

圖5所示包絡面中，上方半球體包絡面主要檢測吊臂在轉動和俯仰時的干涉情況，下方圓柱體包絡面主要檢測所吊貨物在轉運過程中的干涉情況，原則上這些包絡面內部均不允許出現干涉物。但起重機的作業范圍應首先考慮其功能需求，在某些特殊情況下，若包絡面內部的干涉物不可避免，可通過吊臂俯仰、貨物起升等操作躲避這些干涉物。

以2 000 t自升自航式一體化海上風電安裝平臺為例，建立起重機三維檢測環境（見圖6）。圖中灰色部分為船舶背景，黃色部分為雜物吊簡化模型。

圖6 2 000 t 自升自航式一體化海上風電安裝平臺三維模型

由圖7可知，當起重機處于存放狀態時，底座、塔身和吊臂均不與上層建筑、樁腿、甲板上的貨物和船上設備等發生干涉；且吊臂的存放位置不影響風機機艙、塔筒和扇葉等設備向舷外的吊運作業。

圖7 雜物吊存放狀態干涉情況

雜物吊作業空間包絡面如圖8 紅色面所示。在包絡面內出現了輔助起重機的筒體、樁腿3 和風機塔筒、扇葉等干涉物。但為了滿足雜物吊的功能需求，其作業范圍無法進一步縮小。因此，利用起重機三維檢測環境能夠提醒工作人員注意上述干涉物，必要時可通過吊臂俯仰、貨物起升等操作躲避這些干涉物。

圖8 雜物吊作業空間包絡面干涉情況

5 結 語

本文以變幅回轉式起重機為設計對象，確定了建立起重機簡化模型時的幾個主要尺寸參數，明確了起重機的選型原則與布置原則，梳理了起重機的選型流程和布置流程，總結了起重機三維模型的審查要點。船用起重機布置的完整設計流程如下：

（1）依據起重機的用途及功能、船舶主尺度和布置情況以及驅動形式等要求，選擇合適的起重機型式；

（2）依據起重機的主要尺寸參數和選型結果，建立起重機簡化模型；

（3）依據起重機的用途及功能、起重機的最大工作半徑與起重機回轉中心距最遠端貨艙口的距離，以及船舶性能要求、船舶總體布置限制條件、吊臂存放所需空間和甲板結構等要求，確定起重機在船舶上的位置；

（4）將起重機簡化模型按照確定好的位置放置于船舶三維背景中，觀察起重機在作業和存放時是否與船舶背景發生干涉，確定位置的合理性，并按要求進行改進。