大型港口固定式桅桿起重機設計研究

劉 彬，楊 廈，李鵬舉

（1.山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250100；2.中國能源建設集團投資有限公司，北京 100020）

隨著港口設備業務的不斷拓展，海上發電設備、海底隧道沉管、橋梁基座沉箱等重件貨物的搬運在大型工程建設中越來越重要，重件碼頭1 000t 以上的大件裝卸作業陸續出現。如何建造超大構件裝卸作業的專用桅桿起重機是重件碼頭設計的關鍵。根據構造類型不同，固定式桅桿起重機分為纜繩式、搖臂式、人字架和單立柱等[1-3]，為順應市場需求，本文以1 200t 港口固定式人字架桅桿起重機（以下簡稱起重機）為例，介紹大型港口固定式桅桿起重機總體設計方案和基本參數，并闡述了結構部件的構造及其創新點。

1 起重機總體設計方案

起重機主體由底梁、臂架、人字架、變幅定滑輪組和變幅動滑輪組等組成，如圖1 所示。底梁包括底梁前支座和后支座，底梁后支座采用地腳螺栓群與預埋基礎連接；人字架包括前撐桿和后拉桿；臂架采用雙主臂加副臂方案。整機設計為拆分結構，滿足陸路運輸條件，更大程度上增加了轉運的便利性。

圖1 起重機總體設計方案

底梁固定在碼頭前沿，人字架和臂架的下端固定在底梁上部，變幅定滑輪組安裝在人字架上端，變幅動滑輪組安裝在臂架頭部，通過變幅鋼絲繩的收放帶動變幅動滑輪組和臂架動作，實現臂架的俯仰變幅。

2 起重機基本參數

起重機配置有主鉤、副鉤和索具鉤，其基本參數如表1 所示。基于此基本參數，開展起重機的各結構和機構的設計。

表1 起重機基本參數

3 結構設計

3.1 臂架

主臂采用雙臂管桁結構，由2 個單臂、頭部橫梁、根部橫梁和中部連梁組成，上端窄下端寬，單臂和連梁均為圓管結構，頭部橫梁和根部橫梁為箱形結構[4-5]，主臂結構如圖2 所示。

圖2 主臂結構

不同于浮式起重機和履帶起重機的臂架，桅桿起重機的臂架需要滿足大偏擺角度下的承載和拆分設計要求。臂架弦桿采用相同材質、相同規格的圓管，臂架設計的難點是在偏擺載荷作用下，連梁附近的弦桿承載超限，需要通過調整連梁處桿系的布置使弦桿減載。

桅桿起重機需要在最大幅度工況下起吊最大的額定起重量，起升鋼絲繩的偏擺角度通常會超過1.5°，這是導致臂架連梁處的弦桿承載超限的主要原因。

浮式起重機的臂架為焊接一體結構，不需要拆分設計，臂架桿系布置不受拆裝和運輸的限制，在較大的偏擺載荷作用下臂架出現局部桿件承載超限時，可以通過增加桿件進行補強，這種直接焊接方式不用考慮拆解問題。履帶起重機的臂架為拆分結構，最大額定起重量的工況一般為短臂工況或小幅度工況，且偏擺角度限制在1.5°以內，在偏擺載荷作用下，連梁處的弦桿能夠較好地滿足設計要求。

為了減輕自重，提高起重機的起重性能，起重臂采用500MPa 級以上的高強度結構鋼，部分結構采用700MPa 級別的鋼材，較常規設計減輕自重約26%。整體管桁架結構的設計，風載荷較其它桁架結構降低約30%，更適合于沿海高風的作業環境。

3.2 人字架結構

人字架前撐桿和后拉桿為箱形結構，采用上端窄下端寬結構，并在寬窄轉折處設置支撐，上端窄主要是考慮人字架頭部與起重臂頭部滑輪組的適應性，下端寬主要是對應起重臂根部，使前后作用力在一個平面內，增大整體的穩定性。后拉桿在變幅平面內為上下直拉結構，后拉桿下端無水平載荷，防后傾裝置為圓管結構，四點承載，人字架結構如圖3 所示，受力如圖4 所示。

圖3 人字架結構

圖4 人字架受力簡圖

該起重機對人字架設計進行了優化，將人字架的上鉸點高度提高，當起升載荷F1一定時，在減小變幅力Fs的同時，也減小了臂架軸力Fb，兩者減少約25%，使變幅機構和臂架的設計更加輕量化。在保持鋼絲繩繞入卷筒的角度不變的情況下，人字架高度提高后，卷筒可以加長，進而減少卷繞層數，降低纏繞扭矩。在滿足性能與受力要求的前提下，節約選型成本。

3.3 底梁

底梁前支座鉸點采用多剪切面結構，保證承彎、承剪和承壓等強設計。前、后支座在工廠內整體加工，提高了整機裝配精度：底梁前支座對地面平均壓強小，約為160t/m2。底梁后支座采用矩陣式承拉預埋及其均載結構（專利技術），多級梁分散載荷，將4 500t 后拉力轉化為百噸以下的地腳螺栓拉力，保證了各地腳螺栓承拉能力接近相等，底梁后支座結構如圖5 所示。

圖5 底梁后支座結構

人字架后拉桿載荷依次通過一級平衡梁、二級平衡梁和三級平衡梁傳遞給地腳螺栓。采用平面多級分載梁結構，后支座由2 鉸點分解為多點，將鉸點的集中力進行分散，減小了單點的受力大小。共預埋螺栓80 套，單套螺栓最大拉力小于90t，有利于減小碼頭預埋基礎的成本，方便后期轉場安裝。

3.4 節點拆分

為便于運輸和安拆，結構部件進行拆分設計，結構構件的節點有剛接點和鉸接點。臂架的剛接點為凹凸臺法蘭+螺栓群連接，定位準確，承載力大。人字架前撐桿的剛接點為矩形法蘭+螺栓群連接，軸拉力較小；人字架的連梁與前撐桿、連梁與后拉桿的連接均采用矩形法蘭+螺栓群的連接方式；人字架后拉桿為受拉構件，選用薄板結構，后拉桿中段為四翼緣雙腹板箱形構件（專利技術），后拉桿的剛接點為四銷軸八耳板連接，能承載較大軸拉力。剛接點形式如圖6 所示。

圖6 剛接點形式

主臂根部與底梁前支座的鉸接點、人字架前撐桿下部與底梁前支座的鉸接點，設計在一個支座上，有效平衡前后受力，使基礎實現“0”水平力，如圖7（a)。人字架后拉桿下部與底梁后支座的鉸接點、人字架前撐桿上部和人字架后拉桿上部為銷軸連接，均采用單銷軸多剪切面設計，增大銷軸的承載力，如圖7（b)所示。

圖7 支座鉸接點

4 機構設計

4.1 起升繞繩方式

1）主起升機構 采用雙卷筒雙聯構造，主起升滑輪組為8 倍率纏繞，雙吊點布置，并可單吊點使用。

2）副起升機構 采用單卷筒雙聯構造，副起升滑輪組為6倍率纏繞。起升繞繩方式如圖8所示。

圖8 起升繞繩方式示意圖

4.2 變幅繞繩方式

變幅機構的繞繩采用雙排雙繩平行纏繞方式，單側采用雙排滑輪組，在滑輪組末端設置平衡滑輪，平衡滑輪將兩側滑輪組連接[6-7]。變幅繞繩方式如圖9 所示。變幅動滑輪組通過高強度變幅拉板與主臂頭部連接，減少了變幅繩長度。

圖9 變幅繞繩方式示意圖

4.3 卷揚機和控制系統布置

主起升卷揚機、變幅卷揚機、電氣房和高壓變電站布置在底梁前支座和后支座之間，副起升卷揚機布置在底梁后支座上部，索具鉤卷揚機布置在底梁前支座上部，如圖10 所示。

圖10 卷揚機和控制系統布置

5 結語

大型固定桅桿式起重機適用于大型設備的港口裝卸，具有構造簡潔，安拆便捷，抗風能力強，自重輕，安全可靠，拓展性好等優點。

本文所研究的起重臂輕量化，人字架優化及其矩陣式承拉預埋及其均載結構等內容，較常規設計對整機性能和經濟性方面都有了較大提升。