超萬噸起重量門式起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)設(shè)計研究

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21世紀(jì)以來，**各國紛紛加大了對海洋開發(fā)的力度，海洋工程的建設(shè)方興未艾。隨著人類對資源探索的重心逐步由陸地到海洋，再由淺海到深海，對海洋工程裝備需求逐步增加，同時也提出了深水化，大型化，多功能化等更高要求。由于全**對能源的需求日益增加，海洋已成為各國新世紀(jì)能源**的重點；新技術(shù)在海洋工程上的應(yīng)用，使得海洋能源的開采成本大大降低，海洋工程裝備的市場越來越大。

中國具備顯著的成本優(yōu)勢、擁有優(yōu)良的海工建造基地，海工裝備與船舶在設(shè)計制造環(huán)節(jié)具有較強的相似性，中國作為**船舶制造中心將為海工裝備制造提供良好的平臺，隨著國家加大對海工行業(yè)的政策支持，以及制造業(yè)的**性轉(zhuǎn)移，海工裝備制造也將逐漸轉(zhuǎn)向中國，我國海洋工程有望繼續(xù)船舶制造振興之路，未來幾年將進(jìn)入快速增長期。

隨著市場需求的不斷增加，在保證建造質(zhì)量的前提下縮短建造周期成為眾多海洋工程總裝建造基地需要面對的問題，而影響建造周期*主要的環(huán)節(jié)則是平臺分段的劃分以及總裝合攏技術(shù)方案的實施。

目前，國內(nèi)外絕大部分海工平臺制造商使用常規(guī)分段建造的方法建造海工平臺，像半潛式平臺建造，只能先建造下部浮體，再如同搭積木方式把幾十到上百個模塊安裝到幾十米高的下浮體上，組成上層模塊，這期間需要使用從幾百噸的移動起重機(jī)到幾千噸的浮式起重機(jī)，一些巨大的模塊必須采用多次的海上吊裝，既增加建造風(fēng)險，也影響設(shè)備建造周期。當(dāng)小分段吊裝到位，同時需進(jìn)行分段合攏作業(yè)，施工高度在幾十米高空，人員、材料和設(shè)備均上下不便，生產(chǎn)率低，作業(yè)質(zhì)量相對難以保證。因此對半潛式平臺提出上、下兩總段式并聯(lián)建造方式，即上部模塊和下部浮體分別建造，從而降低建造過程中的施工高度，同時上部模塊中各種設(shè)備的安裝，管路電氣的連接，附件的安裝均可在吊裝前完成，*后采用一次吊裝完成，此方式大大減少海上吊裝的次數(shù)，降低危險性。

當(dāng)然此方式面臨*大的問題是單體起重量增大，半

潛式平臺上部模塊整體質(zhì)量在2 萬t 左右，而常規(guī)1 000 t ～ 2 000 t 起重量已無法滿足，因此需要起重量超萬噸的特大型起重設(shè)備。

目前國內(nèi)起重量超萬噸起重機(jī)有兩臺，文中稱之A機(jī)和B 機(jī)，其中A 機(jī)為起重量1 萬t 固定門式起重機(jī)，B 機(jī)為起重量1.1 萬t 門式起重機(jī)。

根據(jù)某廠的工藝需求，現(xiàn)研制的門式起重機(jī)*大起重量將達(dá)1.5 萬t，跨度165 m，*大起升高度100 m，作業(yè)場地內(nèi)共布置兩臺同規(guī)格起重機(jī)，可以相互聯(lián)動，聯(lián)合作業(yè)時*大起重量3 萬t。為滿足海工平臺的安裝工藝，起重機(jī)需要滿載移動，這對起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)是巨大的考驗。

1 同等規(guī)格門式起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀介紹及分析

1.1 A 機(jī)運行機(jī)構(gòu)概況

A 機(jī)采用鋼結(jié)構(gòu)主梁布置于鋼筋混凝土立柱上的構(gòu)成形式，其中一根主梁與立柱間固定，而另一根主梁可沿垂直主梁軸線方向上水平移動，移動距離14 m。

主梁移動通過液壓缸推動，見圖1a 和圖1b。具體方式：在主梁與立柱間設(shè)置的鉸支座上部和主梁固定，而下部底面固定一塊聚四氟乙烯板與固定在立柱頂面上的滑移板接觸，同時鉸支座沿主梁方向的前后兩側(cè)與固定在立柱上的側(cè)滑移板接觸，則鉸支座可以在由滑移板組成的槽形結(jié)構(gòu)內(nèi)移動。在大梁端部下方沿垂直于主梁軸線方向兩側(cè)各固定有滑移液壓缸支座，滑移液壓缸支座中間設(shè)有兩套液壓缸，兩套液壓缸中間設(shè)有鎖緊裝置，兩套液壓缸中間與其平行設(shè)有鎖緊軌道。

1. 液壓缸支座 2. 門式起重機(jī)主梁3. 運行機(jī)構(gòu)推進(jìn)液壓缸 4. 起重機(jī)立柱

(a) 側(cè)視圖

1. 可滑移鉸支座 2. 滑移板3. 鎖緊軌道 4. 雙向液壓缸

(b) 主視圖

移動采用步進(jìn)式運動，即先松開鎖緊裝置，然后向移動方向側(cè)收縮液壓缸，到液壓缸行程終點后，鎖緊裝置啟動夾緊軌道，液壓缸開始推進(jìn)，從而帶動主梁移動。通過多次動作循環(huán)，則可達(dá)到預(yù)設(shè)移動距離。

1.2 B 機(jī)運行機(jī)構(gòu)概況

B 機(jī)主要結(jié)構(gòu)主梁、剛性支腿和柔性支腿均采用桁架形式。運行機(jī)構(gòu)主要由支承裝置（見圖2）和驅(qū)動裝置組成，剛性支腿側(cè)和柔性支腿側(cè)運行機(jī)構(gòu)完全相同。每一支腿橫梁下的運行支承裝置由32個運行支承單元組成，每一個運行支承單元包含兩臺250 t 滾輪小車、一個剛性聯(lián)接梁和一個柱塞液壓缸。每一支腿下的32 個支承單元沿主梁軸線分成兩個支承區(qū)域，每一個區(qū)域16 個支承單元的柱塞液壓缸的油口通過雙管路防爆閥聯(lián)在一起，通過單向調(diào)速閥與系統(tǒng)相連。剛、柔支腿橫梁下的運行驅(qū)動機(jī)構(gòu)各由3 套運行驅(qū)動單元組成，3 套驅(qū)動通過四個液壓缸和支腿的下橫梁相連，形成一個浮動懸掛系統(tǒng)。每套運行驅(qū)動單元由一個車架、一個小齒輪、一臺行星減速器、兩個支承輪組成。驅(qū)動采用齒輪齒條傳動，齒條固定于軌道面上。

1. 500 t 柱塞液壓缸 2. 與支腿下橫梁連接3. 滾輪小車

圖2 B 機(jī)運行機(jī)構(gòu)支承裝置原理圖

1.3 現(xiàn)有運行機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀及特點分析

從兩臺機(jī)的運行機(jī)構(gòu)對比來看，A 機(jī)運行機(jī)構(gòu)應(yīng)稱之為平移機(jī)構(gòu)，其主要功能僅是滿足吊點對位，移動行程較短，移動載荷也僅是設(shè)備自重。對于重載低速運行機(jī)構(gòu)，采用步進(jìn)式液壓推進(jìn)系統(tǒng)是一種有效的解決方案。

B 機(jī)運行機(jī)構(gòu)可滿足長行程、經(jīng)常性的作業(yè)要求，其特點為：1）采用液壓缸作為承載單元支承整個起重機(jī)的重量，其優(yōu)點是既充分平衡各個支承點的壓力，又可彌補鉸點式多級平衡梁結(jié)構(gòu)重心較高的缺點，保證起重機(jī)的穩(wěn)定。液壓缸雖可以平衡起重機(jī)的載荷，但對于與之聯(lián)接的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計也有很高的要求，上部傳遞的載荷力需均勻分布到具有一定剛性的底座上才能確保液壓缸平衡作用。2）運行機(jī)構(gòu) 通過滾輪小車和齒輪齒條驅(qū)動來移動整個起重機(jī)，滾輪車以近似均布載荷的形式滿足地面承載要求。不過該機(jī)構(gòu)也存在一些不足，主要體現(xiàn)在運行的同步性和導(dǎo)向性控制上，尤其是導(dǎo)向性，由于滾輪車有一定的寬度，多組串在一起移動時，與地面的滾動摩擦力不能同步克服，就會產(chǎn)生不同方向的分力，各組滾輪車將會產(chǎn)生朝不同方向偏斜的趨勢，因此混凝土結(jié)構(gòu)的基座強度必須要求滿足能夠約束偏斜并承受因此產(chǎn)生的擠壓和摩擦。另外，常規(guī)上滾輪小車更適合用于臨時性大件物體的搬運，使用過程中不易保養(yǎng)和維修。

2 新型運行機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

新型運行機(jī)構(gòu)設(shè)計方案是以1.5 萬t 門式起重機(jī)設(shè)計研究為背景，見圖3。該起重機(jī)在滿足海工產(chǎn)品建造工藝同時，還需具備滿載、長行程移動的功能。

圖3 起重機(jī)總體方案圖

新型運行機(jī)構(gòu)設(shè)計方案包含以下3 大模塊：1）支承系統(tǒng) 采用液壓缸支撐形式；2）運行移動系統(tǒng) 采用雙軌運行方式；3）驅(qū)動系統(tǒng) 采用步進(jìn)式液壓缸推進(jìn)方式，見圖4。

1. 運行機(jī)構(gòu)液壓支承系統(tǒng) 2. 支腿下橫梁3. 液壓推進(jìn)系統(tǒng)

圖4 起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)方案圖

2.1 運行機(jī)構(gòu)液壓缸支承系統(tǒng)

2.1.1 運行機(jī)構(gòu)液壓缸支承系統(tǒng)方案

新型運行機(jī)構(gòu)設(shè)計方案繼續(xù)采用門式起重機(jī)四支點支承形式，即單側(cè)軌道布置兩個支點，每個支點下不是采用多級平衡梁系統(tǒng)來進(jìn)行載荷的平均分布，而是采用單級大平衡下布置多套液壓缸來完成同樣功能。液壓缸安裝在大平衡梁下側(cè)內(nèi)部，通過伸出的活塞桿頭部與運行臺車連接，見圖5。

液壓缸安裝在大平衡梁內(nèi)部，**可有效保證液壓缸安裝基座的剛度，減小頂升過程中的結(jié)構(gòu)變形，其次可降低運行機(jī)構(gòu)的安裝高度，*后可將整套液壓系統(tǒng)布置在平衡梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，避免液壓管路系統(tǒng)意外損壞。在單側(cè)軌道采用兩支點方式，因此整機(jī)支反力和穩(wěn)定性計算模型可與常規(guī)門式起重機(jī)相同，而每個支點下液壓系統(tǒng)控制原理簡單明了，只要保證每臺液壓缸的頂升力一致。

1. 四輪支承臺車 2. 液壓缸

圖5 運行機(jī)構(gòu)液壓缸支承系統(tǒng)方案圖

2.1.2 液壓頂升系統(tǒng)的原理

通過單級平衡梁底部液壓缸頂升，完成起重機(jī)的支撐。在起重機(jī)運行過程中，液壓回路將被切斷，只有液壓缸之間串通，頂升液壓缸無桿腔連通的液壓缸活塞桿均可進(jìn)行升降動作。液壓油會從油壓高的液壓缸流向油壓低的液壓缸，以此來達(dá)到整個分區(qū)的壓力保持一致，從而保持相同的支撐力和快速補償結(jié)構(gòu)、軌道的變形。液壓缸活塞上安裝雙作用單向閥，確保液壓缸上升、下降*行程極限位置時，自動停止升降，從而保證了液壓缸**，整套系統(tǒng)性能**可靠。

液壓頂升系統(tǒng)工作原理主要包含以下4 個方面：

1）液壓缸上升、下降 起重機(jī)支腿上升通過三位四通換向閥來實現(xiàn)，單向節(jié)流閥起到調(diào)速作用，改變節(jié)流閥開口大小，控制進(jìn)入液壓缸的流量，進(jìn)而控制起重機(jī)支腿上升速度。

2）中間保壓 將支腿頂升液壓缸提升到中間位置，然后換向閥回到中位，液壓缸保壓。此時，通過安裝于兩側(cè)支腿橫梁上的位移傳感器檢測，當(dāng)兩側(cè)支腿橫梁高度差超過設(shè)定值時，需要調(diào)整兩側(cè)液壓缸伸出量。

3）保壓運行 當(dāng)起重機(jī)運行時，液壓缸須處于中間保壓位置，支腿液壓缸串聯(lián)形成均載床。當(dāng)運行軌面不平時，軌道面凸出使液壓缸縮進(jìn)，縮進(jìn)的液壓缸中油液將分流*組內(nèi)其余液壓缸，而壓力也將分?jǐn)?。確保運行過程中，減少軌面不平對支腿橫梁產(chǎn)生的沖擊。

4）**保護(hù) 每個區(qū)域中間位置液壓缸設(shè)有位移傳感器，當(dāng)頂升液壓缸提升整機(jī)時，頂升高度由此位移傳感器反饋，4 個區(qū)域的頂升高度差不得高于限定值，同時每臺頂升液壓缸油口均裝有防爆閥，防止系統(tǒng)管路爆裂引起的**隱患。

2.2 雙軌運行移動系統(tǒng)

結(jié)合已有設(shè)備的使用經(jīng)驗，運行機(jī)構(gòu)采用車輪加軌道的成熟模式，見圖6。根據(jù)總體計算情況， 每個支承液壓缸*大支承載荷接近600 t，如在每個液壓缸下對應(yīng)布置一臺雙輪運行臺車，則單輪輪壓為300 t，對車輪設(shè)計以及軌道梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計都是不經(jīng)濟(jì)的。因此，提出采用雙軌設(shè)計方案，將每個支承液壓缸下對應(yīng)布置一臺四輪臺車（見圖7），將輪壓控制在不超過150 t，兩條軌道間距根據(jù)土建承載設(shè)置為1.5 m。

單級大平衡梁 2. 支腿鉸點 3. 四輪臺車

圖6 起重機(jī)單支點下支承系統(tǒng)方案圖

1. 直徑1 000 mm 車輪 2. 臺車架

圖7 四輪臺車方案圖

2.3 步進(jìn)式液壓缸推進(jìn)系統(tǒng)

當(dāng)支承液壓缸將起重機(jī)頂升*設(shè)定高度后，頂升液壓缸液壓系統(tǒng)封閉，此時啟動運行推進(jìn)液壓系統(tǒng)驅(qū)動推動液壓缸，實現(xiàn)整機(jī)移動，見圖8。起重機(jī)運行由液壓推進(jìn)液壓缸和夾軌器配合實現(xiàn)。起重機(jī)運行采用步進(jìn)式，即先松開夾軌器，然后向移動方向側(cè)收縮推進(jìn)液壓缸，到液壓缸行程終點后，夾軌器啟動夾緊軌道，液壓缸開始推進(jìn)，從而帶動起重機(jī)移動。通過多次動作循環(huán)，則可達(dá)到預(yù)設(shè)移動距離。

1. 夾軌器 2. 雙向液壓缸

圖8 步進(jìn)式液壓推進(jìn)系統(tǒng)方案圖

推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要包含以下4 個方面：

1）起重機(jī)前進(jìn)后退動作控制 起重機(jī)運行通過三位四通比例換向閥來實現(xiàn)，比例換向閥同時起調(diào)速作用，改變通過比例電磁鐵的電流，可按比例改變換向閥的開口度和通過流量，控制進(jìn)入液壓缸的流量，進(jìn)而控制起重機(jī)運行速度。

2）起重機(jī)兩側(cè)支腿運行同步控制 推進(jìn)液壓缸配有位移傳感器，對兩側(cè)支腿的位移進(jìn)行實時監(jiān)測，并對結(jié)果進(jìn)行比較。對于運行速度較快一側(cè)，減小通過比例電磁鐵的電流，可減小比例換向閥開口，控制進(jìn)入液壓缸的流量，進(jìn)而控制大車運行速度，使兩側(cè)支腿的位移保持同步。每側(cè)支腿下方有兩臺推進(jìn)液壓缸，每臺運行液壓缸均配有位移傳感器，其中一臺位移傳感器跟隨另一臺位移傳感器，實現(xiàn)運行過程的同步。推進(jìn)液壓缸為步進(jìn)式，通過步進(jìn)次數(shù)和位移傳感器讀數(shù)，可計算大車運行距離。每次大車運行時，通過2 臺基準(zhǔn)位移傳感器數(shù)值，監(jiān)控大車運行距離。

3）停車制動功能 當(dāng)起重機(jī)需要停車時，所有比例換向閥緩慢切換到中位，使進(jìn)入液壓缸的油液不斷減小，液壓缸逐漸減速，*終使起重機(jī)制動。

4）**保護(hù)功能 起重機(jī)兩條支腿均設(shè)置停車限位開關(guān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)軌道端點時可自動停車。

3 結(jié)束語

通過總結(jié)以往起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)的特點，為超萬噸起重量的門式起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)提出一種切實可行的設(shè)計方案，并有效地優(yōu)化運行機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)，對重型起重機(jī)裝備的設(shè)計和建造打下堅實的基礎(chǔ)。