门座机海绑优化设计与有限元分析

黄 府

（南通中远重工有限公司，江苏 南通226000）

0 引言

随着中国船舶建造技术的不断发展与成熟，重大设备的海上运输得到了发展。重大设备的海上运输与绑扎安全，成为研究的重点，有学者对重大货物的运输进行了深入的理论研究[1]。门座式起重机的作为重大货物，具有外形尺寸不规整，大高宽比，重量大的特点，沿海运输工具一般选用平板驳船[2]。平板驳船运输货物的绑扎方案一般凭经验设计，进行详细计算比较困难。

本文分析了门座式起重机的基本参数与结构特点，选取合适的运输工具。对门座机运输过程中附加的加速度进行计算与分析。把门座机整机分成上、下两个部分，设计并优化了门座机海绑方案，建立海绑方案的有限元模型，并进行有限元分析。文章的研究为类似门座机的海绑设计提供了参考。目前该吊机已经交付，并投入使用。

1 门座机发运方案

1.1 门座机的基本参数

MQ1630门座式起重机机基本组成是：行走机构、门架、转盘、人字架、臂架、钢丝绳与吊钩组系统、电控系统，如图1所示。轨距4.75 m，基距为9.4 m，整机最小高度27.5 m，起重能力16 t，最大回转半径30 m，整机重量约320 t。产品需要从长三角地区运输至大连某船厂。

图1 门座机布置图

1.2 门座机的发运方案确定

目前门座式起重机产品的交付方式主要有三种：1）整机调试完成后滚装或吊装运输交付。此种交付方式具有现场安装周期短的优点，可以节省现场成本，但是本项目的整机高宽比值达到了5.5，属于大高宽比货物且重心高度比较高，整机运输对船舶的稳性要求较高，运输成本会增加，加大了运输的安全风险；2）分上下两部分单独调试后吊装运输。将运行机构与门架安装一个整体，称为下部；将转盘（含回转支承）、人字架、电控系统、臂架、吊钩与钢丝绳组价安装成一个整体，称为上部。分上下两部分运输，可以有效降低发运部件的重心高度，对运输船舶稳性要求也较整机发运低，提高了运输的安全性；3）小部件运输，在现场安装与调试后交付：现场安装与设备调试周期比较长，成本消耗比较大，一般不采用次重方式。

综合考虑MQ1630门座式起重机的结构特点、运输费用、产品交付周期等因素，最终选用了分上下两部分单独调试后吊装运输的方式进行海路运输。

2 门座机海绑设计与优化

2.1 配载方案设计

根据门座机上下部分的重量与尺寸，选择了载重量700T的平板驳船作为运输工具。门座机上部重量约140 t（含配重），门座机下部重量约180 t（含配重）；运输船的基本参数为：总长66.8 m，总宽15.6 m，型深2.85 m。运输时将上部的臂架的变幅钢丝绳松开，使臂架头部放置在甲板上，配载方案如图2所示。

图2 配载方案

2.2 门座机海绑方案设计

重大型结构件海运绑扎方式分为三种[3-4]：1）刚性支撑绑扎；2）柔性钢索绑扎；3）刚柔并用的混合绑扎。本文需要发运的结构件主体结构采用刚性支撑绑扎，吊钩、钢丝绳等活动件采用柔性钢丝绳辅助绑扎如图3。

门座机上部总高17.1 m，重心高度5.9 m。在左右舷，船艏、船尾四个方向，分别使用两个支撑杆，合计8个支撑杆，进行刚性绑扎固定。转盘配重块下位置采用两个承载25 t的立柱支撑。回转支承内侧位置使用4块刚性卡板锁紧（如图4），防止结构整体滑移。

图3 上部绑扎方案

图4 回转支承卡板设计

门座机下部总高10.3 m，重心高度4 m。行走车轮放置在预先铺设在船甲板面的轨道上，同样使用8根支撑杆固定，支撑杆布置方向与上部相同（如图5）。由于本吊机的轨距很小，抗侧翻能力较弱，所以使用8组刚性卡板将车轮固定锁紧在轨道上（如图6）。

图5 下部绑扎方案

图6 车轮卡板设计

海运绑扎的支撑选用的材料是无缝钢管，材料等级是Q345B，卡板材料为Q345B等级的钢板。

2.3 门座机海绑设计方案优化

一般海运绑扎的支撑杆是直接连接产品与船甲板，通过焊接进行固定。直接焊接固定的缺点是：1）焊接与气割拆除会造成产品表面防腐层的破坏，拆除后需要对防腐层进行修复，造成成本增加；2）装船时的焊接与卸船时的气割拆除工作量比较大，效率低，增加运输船的靠泊时间。

为了节省成本，缩短靠泊时间，在产品制作过程中已经增加了永久性的连接吊耳，支撑杆与吊耳之间通过快拆轴连接（如图7），既保护了产品的防腐层，也提高了绑扎与拆除的效率，节省了成本。

图7 快拆轴连接

3 门座机基本受力分析

根据中国船级社《货运系固手册编制指南》中改进的计算方法得出运输船舶的基本加速度[5]，

横向加速度：

ay=6.5 m/s2

纵向加速度：

ax=2.9 m/s2

垂直加速度：

az=7.6 m/s2

根据修正系数公式：

计算得出修正系数为1.2224。经过修正后：横向加速度为7.946 m/s2，纵向加速度为3.545 m/s2，垂直加速度为9.290 m/s2。风力为：1 kN/m2。

4 门座机海绑有限元建模与分析

采用ANSYS WORKBENCH 17.1软件分别对上部和下部建立有限元模型[6]，施加约束与载荷，并进行年计算分析。经过计算并剔除有限元的网格的奇异点数据，得出门座机下部海绑最大应力为85 MPa（见图8），门座机上部海绑的最大应力为24 MPa（见图9），均小于材料的需用应力，并保留了足够的安全系数。表明海绑设计安全。

图8 上部计算结果

图9 下部计算结果

5 结束语

本文分析了MQ1630门座式起重机的结构参数；将门座机分成上下两个部分进行运输，设计了海运绑扎方案并进行优化，并使用有限元软件对绑扎方案进行强度校核，使产品安全高效的运输与交付，可为类似门座机的海绑设计提供了参考。