600t全回轉(zhuǎn)風電安裝起重機設計

蔣克勤

江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學校

600t全回轉(zhuǎn)風電安裝起重機設計

蔣克勤

江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學校

本文介紹了600t海上風電設備安裝起重機的性能參數(shù)、部件組成、設計計算、安裝步驟。

600t；浮吊；設計計算

1.引言

當今世界面臨環(huán)境惡化、溫室效應、石油資源枯竭等一系列問題。開發(fā)綠色能源已成為世界各國的一致共識，風力發(fā)電作為可再生能源的一種，擁有很大的開發(fā)潛能。此臺600t起重機是專為海上風力發(fā)電安裝需要而專門設計的起重機，可以滿足3MW～5MW風力發(fā)電機的整體海上按裝需要。

圖1.600t全回轉(zhuǎn)起重機結(jié)構(gòu)

表1.600t起重機吊載能力表格

2.主要結(jié)構(gòu)形式

本項目如CCS級，最大起重量600t(幅度24m)，500t(幅度28m)。主鉤幅度28m時起升高度距甲板面68m。其主要結(jié)構(gòu)件包括臂架、人字架、底盤、回轉(zhuǎn)軸承和圓筒體結(jié)構(gòu)，圓筒體結(jié)構(gòu)與船體對接，如圖1。

工作時，先將臂架起升至工作角度，驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)使吊機轉(zhuǎn)至工作區(qū)域，隨后使用起升機構(gòu)完成所需起升作業(yè)。由于起重機在拖航工況時要求抵御55m/s的強風和橫向縱向各1g的加速度，故在船體尾部設立錨定裝置，以減少回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)件重量。

2.1 臂架

臂架采用4弦管桁架鋼結(jié)構(gòu)，主弦管采用Q690D卷制直縫管，副管采用Q345C無縫管。根部鉸點距離主鉤定滑輪65m，設計時充分考慮了載荷及其可能產(chǎn)生的偏載和沖擊。頭部鵝頸安裝有150t副鉤和15t索具鉤，增加了起重機使用的經(jīng)濟性。

2.2 人字架

人字架采用整體焊接式結(jié)構(gòu)，有效地減輕了結(jié)構(gòu)重量。前片受壓采用箱體結(jié)構(gòu)，后片受拉采用工字梁結(jié)構(gòu)。拉桿與壓桿之間采用連系梁連接，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時多個支腿與底盤連接使得底盤受力均勻。人字架頂部安裝有變幅纏繞定滑輪組。

2.3 底盤

回轉(zhuǎn)底盤是整個起重機的回轉(zhuǎn)支承，上部前段采用箱體結(jié)構(gòu)，后段采用工字梁結(jié)構(gòu)；下部采用圓筒法蘭結(jié)構(gòu)與回轉(zhuǎn)支撐軸承連接。底盤上設有機器房，內(nèi)部安裝有各個絞車和所需電控設備，底盤前端設有輔助絞車平臺，安裝有兩臺貨物控制絞車，以便于在今后使用時控制貨物姿態(tài)。底盤筒體結(jié)構(gòu)上設有回轉(zhuǎn)機構(gòu)支撐架，其安裝于吊機左右兩側(cè)，有效的避免了由于吊載產(chǎn)生的整機位移所導致的回轉(zhuǎn)大小齒輪之間的背隙的變化。

2.4 錨定裝置

錨定裝置下部為支撐結(jié)構(gòu)件，頂端安裝有楔塊滑移裝置。拖航時使用液壓油缸將滑塊頂入滑槽之中，固定配重箱。

3.設計計算

3.1 性能參數(shù)

設計溫度：-10℃；固定作業(yè)時，船舶最大橫傾2°、縱傾2°；回轉(zhuǎn)作業(yè)時，船舶最大橫傾5°、縱傾2°；主鉤尾吊：600t@24m，500t@ 28m；主鉤回轉(zhuǎn)：500t@22m，400t@28m；副鉤吊重：150t@50m，50t@ 70m；索具鉤：15t；詳細參數(shù)見表1。

3.2 有限元單元模型的選擇

計算中共用了3種類型單元：梁單元BEAM44，桿單元LINK8，質(zhì)量單元MASS21。

有限元模型建立及單元劃分見圖2。

圖2.有限元模型示意圖

3.2.1 梁單元BEAM44

BEAM44是具有拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲功能的單軸單元。該單元每個節(jié)點有六個自由度：節(jié)點坐標系的x、y、z方向的平動和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動。該單元允許其每一端有不同的不對稱幾何形狀，并且允許其端節(jié)點從梁的中心軸偏移。示意圖見圖3。

圖3.梁單元BEAM44示意圖

3.2.2 桿單元LINK8

LINK8這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個節(jié)點有3個自由度：沿節(jié)點坐標系x、y、z方向的平動。本單元不承受彎矩，但具有塑性、蠕變、膨脹、應力鋼化、大變形、大應變等功能。示意圖見圖4。

圖4.桿單元LINK8示意圖

3.2.3 質(zhì)量單元MASS21

MASS21是有多至6個自由度的點單元：沿節(jié)點坐標系x、y、z方向的平動和繞x、y、z軸方向的轉(zhuǎn)動。每個坐標軸方向可以分配不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。示意圖見圖5。

圖5.質(zhì)量單元Mass21示意圖

3.3 載荷與參數(shù)

3.3.1 風載荷

工作工況，風速20m/s：q=0.613v2=0.613x202=245N/m2；拖航工況，風速55m/s：q=0.613v2=0.613x552=1854N/m2。

3.3.2 作業(yè)系數(shù)

浮式起重機ψd=1.05。

3.3.3 起升沖擊系數(shù)

ψh=1+CV，對于臂架式起重機C=0.3。主鉤：ψh=1+0.3x2.5/60= 1.01，取ψh=1.1；副鉤：ψh=1+0.3x7.0/60=1.04，取ψh=1.1；索具：ψh=1+ 0.3x30/60=1.15，取ψh=1.25。

3.3.4 船舶運動載荷（拖航工況）

垂直于甲板的加速度±1.0g；前后方向平行于甲板或橫向平行于甲板加速度±0.5g；靜橫傾30°；風速55m/s，作用于前后方向或橫向。

3.4 材料選用

本項目臂架材料選用Q690D和Q345C，其余主要結(jié)構(gòu)件鋼板采用船板焊接制作，人字架部分主要部件采用Q690D，回轉(zhuǎn)軸承上下支撐法蘭面采用S355NL，滑輪軸、鉸點軸材料選用42CrMo和35CrMo，吊鉤鍛件采用DG20Mn，其余鍛件部分采用16Mn。

3.5 許用應力

根據(jù)CCS《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》起重機結(jié)構(gòu)件的許用應力[σ]由下式算得：

式中：σs—鋼材屈服強度，MPa；

σb—鋼材抗拉強度，MPa；

n—安全系數(shù)，按工況分類，由表2選取；

β—系數(shù)，根據(jù)鋼材屈強比，由表3選取；

表2.安全系數(shù)

表4.整機結(jié)構(gòu)受力有限元分析結(jié)果

3.6 工況分類

工況1：起重機處于無風工作狀態(tài)，包括主鉤固定工作、主鉤回轉(zhuǎn)工作、副鉤回轉(zhuǎn)工作；工況2：起重機處于有風工作狀態(tài)，風載荷分別沿船體橫向和縱向加載，包括主鉤固定工作、主鉤回轉(zhuǎn)工作、副鉤回轉(zhuǎn)工作；工況3：起重機處于拖航狀態(tài)，臂架水平放置于擱架之上，主副鉤均被置于擱架內(nèi)，尾部錨定裝置工作，風載荷分別沿船體橫向和縱向加載，工況4：起重機處于試驗狀態(tài)。

3.7 計算結(jié)果分析

在各個不同的工況下對起重機模型進行加載，得到起重機各部分的軸向應力、彎曲應力和總應力，評估結(jié)構(gòu)靜強度，應力云圖見圖6，計算結(jié)果見表4。由計算結(jié)果得出在工作工況下，最大應力發(fā)生在臂架主弦管；在拖航工況下，最大應力發(fā)生在回轉(zhuǎn)底盤；整個起重機的結(jié)構(gòu)設計滿足所需要的強度要求。

4.起重機安裝與使用

具體安裝步驟：吊裝圓筒體和臂架擱架；吊裝回轉(zhuǎn)軸承；吊裝底盤與人字架總成；吊裝臂架；穿各個纏繞系統(tǒng)鋼絲繩；安裝附件和整機調(diào)試與吊重試驗。