1 600t起重船起重系统设计

杨 磊

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江 212003)

随着国内船厂造船分段水平的提高,分段重量越来越重,原有的一些起吊设备已不能满足使用要求,为此需要建造大型起重船来满足生产的需求。

1 1 600t起重船工作状况

1 600t起重船设计按中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》进行,采用可变幅(在起升安全负荷范围内)不旋转臂架式起重机。

1 600t起重船起重系统布置图如图 1所示。

本船在使用中,主起升、副起升、变幅机构三个机构在任何时候都只能有一个机构处于工作状态。

作业工况:

①起重设备工作时,船舶处于横倾≤5°,纵倾≤2°;

②起重设备工作时风速不超过 20m/s,相应风压不超过250Pa;

③作业于蔽遮的海域;

④臂架仰角 58°时,安全工作负荷 15 680kN (1 600t);

⑤臂架仰角 30°～65°时,副钩安全工作负荷1 960kN(200t);

⑥臂架仰角 30°～65°时,索具钩安全工作负荷3×98kN。

⑦本船通过拖船拖航于南京长江大桥以下的长江下游、中国海域内的近海航区。

2 起升系统

本船配备主吊钩 4套,每只主钩安全工作负荷为3 920kN(400t),4只主钩可同时工作,满足起吊15 680kN(1 600t)的需要。

主钩采用单排双联滑轮组,定滑轮组由 8只滑轮组成,动滑轮组由 7只滑轮组成,倍率为 2×7。每只主钩起升由 1台电动绞车双滚筒驱动,绞车额定拉力为350kN,速度为14m/min,吊钩起升速度2m/min。4只主钩起升共配备 4台双滚筒电动绞车。主钩钢丝绳绳长 1 650m,共 4根。绞车容绳量为600m。

本船配副吊钩1套,每只副钩安全工作负荷为1 960kN(200t)。

副钩采用单排双联滑轮组,定滑轮组由 5只滑轮组成,动滑轮组由 4只滑轮组成,倍率为 2×4。副钩起升由 2台电动绞车驱动,绞车额定拉力300kN,速度32m/min,吊钩起升速度8m/min,副钩起升共配备 2台电动绞车。副钩钢丝绳绳长为1 200m,绞车容绳量为 360m。

本船配索具吊钩 3套,每只吊钩安全工作负荷为98kN。索具钢丝绳通过臂架头部的定滑轮由索具电动绞车直接拖带,用于起重作业准备工作。钢丝绳绳长200m,绞车容绳量为100m。

3 起重臂架及安装

本船起重臂架采用钢管桁架焊接结构,材料为高强度结构钢由DH36及DH32组成。DH36及DH32主要化学成分:含碳量C≤0.18%,含锰量Mn0.9%～1.60%。DH36力学性能:屈服点≥355MPa,抗拉强度490～620MPa;DH 32力学性能:屈服点≥315MPa,抗拉强度440～570MPa。

臂架图如图 2所示。臂架总长约 77m,臂架下开档为 22m,此即为臂架安装的中心距。臂架装配焊接后轴线挠度不超过长度的 1/1 500。

臂架头部为整体箱形结构,其背面安装变幅滑轮组;副钩定滑轮组安装于头部最前端,4只主钩定滑轮组安装于臂架头部,左右中心距约4 000mm,前后间距约4 000mm。

起吊臂架下的龙门架顶距甲板高约 20m,龙门架(起吊臂架下部)横向中心距约为22m。

船舶尾部的千斤柱顶固定物距甲板高约为41m,横向中心距约为22.8m。

臂架与安装座采用销轴连接,臂架安装轴套内设有铜衬套,采用油脂润滑。

4 变幅系统

本船设计为起重臂架可变幅,变幅速度约0.8 m/min。变幅系统由以下几部分组成:

(1)CP(a)=1,则〈a〉为P的无不动点自同构群,从而G为Frobenius群,且Φ(P)=CP(a)=1,此时P初等交换群且G=.故易得其真幂图P∗(G)的连通分支数:

①设于千斤柱两侧的变幅定滑轮组;

②设于千斤柱上的2只变幅平衡滑轮;

③设于起重臂架头部的动滑轮组。

变幅系统钢丝绳共 40道,共 1根,绳长5 600m。

变幅系统由 2台电动绞车同时驱动,绞车额定拉力800kN,变幅绞车速度17m/min,容绳量700m。

图2 臂架图

5 动力配置及变频系统控制

本船电动绞车动力全部由机舱内的发电机组提供。起重作业时,3台720kW主发电机组中的2台工作,1台备用。准备作业时由 250kW辅发电机组工作提供动力。

本船所有绞车均采用电动绞车,其中 4台主吊双滚筒绞车、2台副吊绞车、2台变幅绞车、5台定位绞车、4台系泊绞车均采用船用变频起重电机。变频系统由设在机舱的变频柜、制动电阻箱和驾控台的控制装置等组成,其工作应满足所有变频起重电机绞车的不同工作要求。

在 4主钩联动工况下,为满足 4主钩均匀加载,特采用力矩环控制方案。具体方案说明如下:

在 4钩联动时,实时采集各主钩的转矩,以 1号主钩的实时转矩作基准,其余 3个钩子的转矩与 1号钩的转矩作实时比较,如果转矩偏差值在允许范围内,则速度给定与 1号钩相同。如果超出允许范围,则根据偏差大小实时调整对应钩子的速度,以保证所有钩子的载荷偏差在允许范围内。所有主钩的速度均经斜坡函数发生器处理后,最终输出到主钩各机构变频器,实现吊重受力点均匀,速度斜坡平稳加载,满足吊重平稳升降的要求。

6 臂架有限元模型及计算

计算采用美国MSC公司开发的MSC/NASTRAN有限元软件,该软件是世界上应用最为广泛的大型通用结构分析软件之一。通过MSC/NASTRAN的分析可确保各个零部件及整个结构系统在最合理的环境下正常工作,获得最佳性能。

三维有限元分析的特点是把结构完整地用有限元模型表达出来,能够反映结构真实的受力和变形情况。臂架强度计算包括幅角为 58°、45°、30°和12°四个有限元模型。模型采用一般尺寸的网格划分,臂架头部和脚部结构的各种封板、隔板和框架采用平面四边形板单元(局部过渡区域采用三角形板单元)描述,单元大小约为臂架头部内支撑框架 T型材的腹板高度的 1/2。臂架杆身采用一维梁单元描述,梁单元与板单元之间通过MPC单元连接。

臂架有限元模型如图 3所示。

图3 臂架有限元模型图

6.1 臂架头部

臂架头部的各种封板、隔板、肘板、加筋板的腹板和面板等均采用平面四边形板单元划分网格,局部连接区域采用三角形板单元以保证结构单元之间的协调性。板单元的尺寸大致为加强筋的腹板高度的1/2。

6.2 臂架脚部

臂架脚部区域结构采用平面四边形板单元划分网格,局部连接区域采用三角形板单元以保证结构单元之间的协调性。与臂架基座连接的轴孔套管采用平面四边形板单元描述,在左右轴孔中心位置建立独立节点,与套管单元节点之间用MPC单元绑定。

6.3 臂架杆身

臂架杆身主杆和副杆桁架采用一维梁单元描述,管节点之间的杆件梁单元位于主杆和副杆的轴线位置,并根据实际的圆管的截面尺寸设置梁单元的属性。臂架杆身与头部和脚部连接区域的结构采用平面四边形和三角形单元描述,梁单元与四边形单元在管节点处采用MPC单元连接。

6.4 变幅滑轮架

变幅滑轮架采用平面四边形板单元划分网格,局部连接区域采用三角形板单元连接以保证结构单元之间的协调性。2个立板之间的轴孔套筒采用平面四边形板单元连接,中心处设独立节点,并与套筒单元的节点采用MPC单元连接。

6.5 主吊支架

主吊支架采用平面四边形板单元划分网格,局部连接区域采用三角形板单元连接以保证结构单元之间的协调性。2个主吊耳板之间的轴孔套筒采用平面四边形板单元连接,中心处设独立节点,并与套筒单元的节点采用MPC单元连接。

有限元模型的平面三角形和四边形单元的板厚和梁单元的截面几何属性根据基本资料施加于相应的单元上。

1 600t起重船臂架结构采用的有限元模型共有21 124个节点,368个梁单元,21 297个平面四边形单元,762个平面三角形单元。

6.6 计算工况、载荷

根据《船舶与海上设施起重设备规范》确定了 4个计算工况,分别为:无风工作工况、有风工作工况、放置工况和特殊载荷工况。计算中,臂架幅角为58°时分别计算无风工作工况、有风工作工况和放置工况;臂架幅角为12°时计算特殊载荷工况;臂架幅角分别为 45°和 30°时计算无风工作工况。

7 结语

该船为国内某船厂针对其新建船坞及以后的大分段造船减少船坞的使用周期的特点所量身定做的大型起重船,能够通航于 44m高度以下的各类大桥。该船现已建造完毕并交付业主使用,在船厂的生产过程中发挥了巨大的作用。