多功能环梁升降系统的设计

陈 峰，陆 军，喻 祥

（广东东软学院，广东佛山 528234）

0 引言

定位桩升降系统在国外海工行业已经有十分广泛的应用，特别在大负载、大尺寸平台升降领域，但其研究方向大多是如何解决定位桩快速升降以及如何解决升降系统同步，并未考虑拖航时的工作效率等问题[1]。因此，本文在此研究基础上，创新设计可拆解的四边形环梁结构，通过同步运动的横梁来取代原有圆形环梁结构，在拖航时拆解四边形环梁，解除升降系统对定位桩锁定功能，同时通过侧向拉力驱动油缸将定位桩水平放置，从而达到倾倒定位桩，降低定位桩重心的目的。

本文以某海洋平台为例，通过研究多功能环梁升降系统的主要组成部分，分析可降低定位桩重心的升降结构设计，以及各零部件所需要达到的结构强度，从而解决倾倒定位桩，降低定位桩重心等问题，既可以实现自升式平台的升降，又可以降低定位桩的重心，同时还能倾倒定位桩。这样不仅可以缩短疏浚船舶和海洋工程船舶的施工准备时间，而且简化了安装工艺，改善了船舶在拖航过程中的受力状况，从而增加了船舶在拖航过程中的稳定性，大大提高船舶施工作业效率[2]。

1 系统总体设计

本文以海上自升式平台为研究对象，开展了可倾倒定位桩升降系统的研究，设计了升降单元和液压—电控系统，实现系统的自动控制。

根据技术规格书要求，本文研究的定位桩升降系统主要参数如下：单桩额定举升载荷为150 t；单桩预压载荷为200 t；单桩风暴支持载荷为300 t；升降平台速度为9 m/h；升降系统的设计升降次数不小于2 000次。

从技术性能参数出发，升降系统设计可以分为以下几个方面：（1）升降单元，负责平台升降；（2）液压系统，负责给升降单元提供动力，保证升降过程中的持续动力；（3）电气控制系统，保证升降的同步性和安全性；（4）倾倒定位桩装置。多功能环梁升降系统的总体结构图如图1所示。

图1 多功能环梁升降系统结构图

2 升降单元设计

2.1 结构设计

工作平台的升降方式是在桩腿上安装升降单元，通过升降单元运动带动平台移动，有时还需要倾倒定位桩等操作。因此，有必要研究升降单元内部零件可靠性，比如插销零件的抗弯曲强度、提升油缸的保压能力等。定位桩升降系统在国内外海工行业已经有十分广泛的应用[3]，特别在大负载、大尺寸平台升降领域。本文研究设计的多功能环梁升降单元的结构示意图如图2所示。

图2 多功能环梁升降系统示意图

多功能环梁升降系统包括有配对的动环梁、定环梁以及升降油缸，动环梁由第一框架上梁、第二框架上梁和两根拉杆组成，在有定位桩桩腿销孔的两个面上分别安装第一框架上梁和第二框架上梁，并且，第一框架上梁和第二框架上梁通过拉杆构成了一个封闭的空间，定位桩垂直安装在该闭合空间内，通过拉杆和其他辅助倾倒装置可使定位桩水平搁置；下环梁由第一框架下梁和第二框架下梁组成固定在动环梁的正下方，同时，这4个框架梁中都有1个插销油缸装置，控制系统可控制插销插入对应定位孔，实现与定位桩的固定。

2.1.1 动、定环梁

第二天，全城的媒体都在报道得这起触目惊心的寄尸案，当然是边峰所在的《江城快报》报道得最为详尽，他甚至详细披露了死者肾脏丢失以及脏器中有“卍”型标，甚至凶手可能把作案用车遗留火车站停车场等细节，这是其他媒体所不能比的，结果这一天的《江城快报》脱销。

按《海上移动平台入级规范》2012表3.4.2.3中规定，在静载工况下，等效应力安全系数为1.43；组合工况下，等效应力安全系数为1.11。材料的性能指标如表1所示[4]。

表1 材料性能指标表

通过对各种环梁技术方案进行经济技术法分析，决定选用DH36作为环梁的材料，在保证结构强度的情况下，大幅度降低加工成本，提高经济效益。

2.1.2 升降油缸

升降油缸由耳环、缸筒、前端盖、活塞杆、导向套、锁圈等组成，如图3所示。升降油缸两端采用耳环加轴承的安装方式，用于补偿环梁与桩腿间因为间隙而产生的油缸摆动，耳环与活塞杆采用分体式制造，在满足安装精度的条件下，降低了整体加工成本，缸筒的后端盖通过螺纹与缸筒进行配合。

图3 提升油缸图

2.1.3 插销

插销是升降系统的核心零件之一，在升降过程中要承受巨大的垂直作用力，在设计时采用CAE软件辅助计算其结构强度与屈服稳定性。由以往的设计经验来看，承载截面一般选择圆形或正方形截面。首先用Soild works将插销的三维图模型建好，然后导入ANSYS16.1，接着设置网格化结构并给其施加载荷[5]。通过多次分析计算如图4所示，最后绘制出插销的零件图如图5所示。

图4 ANSYS仿真图

图5 插销结构图

2.2 工作原理

研究设计的环梁液压升降装置，当定位桩需要上升时，动环梁的插销插入桩腿销孔，同时定环梁的插销拔出，液压系统给升降油缸的无杆腔打油，推动活塞杆伸出，从而带动动环梁运动（升降油缸的一个单位运动行程为相邻两个定位孔之间的距离），便可让定位桩上升两个相邻定位孔之间的距离；如需继续上升定位桩，动环梁的插销拔出，定环梁的插销插入，之后升降油缸缩回，然后动环梁的插销插入，定环梁的插销拔出，之后升降油缸的活塞杆再次伸出至最近的一个定位销孔，如此往复运动，直至定位桩上升到所需要的高度为止[6]。

当需要降低定位桩时，定环梁插销插入，动环梁的插销拔出，液压系统向升降油缸无杆腔打油让活塞杆伸出，然后动环梁的插销插入定位桩的定位销孔，定环梁的插销拔出，升降油缸的活塞杆做回程运动，便可降低定位桩的高度；如需继续降低定位桩时，定环梁插销插入，动环梁插销拔出，之后升降油缸伸出，动环梁插销插入，定环梁插销拔出，之后升降油缸再次缩回，如此循环往复，直至定位桩下降到所需高度为止[7]。

当船舶需要进行拖航时，首先打开动环梁的两根拉杆，让第一框架上梁和第二框架上梁分开，然后再拔出动环梁原本插入桩腿的插销，使定位桩脱离本环梁升降装置的锁紧固定，最后通过支点侧向拉力油缸将定位桩水平搁置，如图6所示。通过改变传统环梁升降的设计思路，使其既可以实现自升式平台的升降，又可以降低定位桩的重心，同时还能倾倒定位桩。这样不仅可以缩短疏浚船舶和海洋工程船舶的施工准备时间，而且简化了安装工艺，改善了船舶在拖航过程中的受力状况，从而增加了船舶在拖航过程中的稳定性，大大提高船舶施工作业效率。

图6 新型定位桩示意图

3 液压—电控系统研究

3.1 液压系统

整个液压系统有1台大液压泵站，分别为4个桩腿提供动力。液压泵站的总成由主油泵电机组、液压动力单元、独立液压泵组等组成。

液压动力单元中配置有调压阀和电磁溢流阀，设定系统限定的压力值和卸荷回路，泵启停时自动卸荷，避免泵带载启动与停机。液压动力单元布置在主甲板以下机械设备室内，设计时应该满足层高要求，方便技术人员操作和维护[8]。液压动力单元还配有回油风冷式油冷却器和液压油低温电加热器，通过温度传感器控制加热器的开启和关闭，以确保液压系统的稳定运行，同时可通过其检测油温高低，控制通风机的自动启停。

油箱的设计应为碳钢材质，内有耐油涂层，可保证液压油的清洁，液压缸内装有液位计、温度计、液位继电器、温度传感器，以便于液位和油温的检测。

3.2 电控系统

电控系统主要包括泵站控制柜和桩边操作箱部件。

泵站控制的具体功能有：（1）紧急停止功能。各桩腿既可以联动，又可以单动，根据实际操船情况作业。（2）平台倾斜保护功能。倾角传感器实现测量平台倾斜角度，当平台倾斜角度超过限定值后，进行自动报警并停止升/降作业。（3）实现泵站电机的启停、运行指示、故障报警功能设有本地控制模式，操作者在桩旁操作箱完成操作。

4 结束语

本文以某海洋平台为例，设计研究了多功能环梁升降系统的主要组成，分析了可降低定位桩重心的升降结构设计，研究了各零部件所需要达到的结构强度，介绍了多功能环梁升降系统的工作原理和如何倾倒定位桩等，以及升降系统中的液压—电控系统组成和主要功能。结果表明，设计符合CCS相关规范要求，可为环梁液压插销升降设计者提供参考。