門座機海綁優化設計與有限元分析

黃 府

（南通中遠重工有限公司，江蘇 南通226000）

0 引言

隨著中國船舶建造技術的不斷發展與成熟，重大設備的海上運輸得到了發展。重大設備的海上運輸與綁扎安全，成為研究的重點，有學者對重大貨物的運輸進行了深入的理論研究[1]。門座式起重機的作為重大貨物，具有外形尺寸不規整，大高寬比，重量大的特點，沿海運輸工具一般選用平板駁船[2]。平板駁船運輸貨物的綁扎方案一般憑經驗設計，進行詳細計算比較困難。

本文分析了門座式起重機的基本參數與結構特點，選取合適的運輸工具。對門座機運輸過程中附加的加速度進行計算與分析。把門座機整機分成上、下兩個部分，設計并優化了門座機海綁方案，建立海綁方案的有限元模型，并進行有限元分析。文章的研究為類似門座機的海綁設計提供了參考。目前該吊機已經交付，并投入使用。

1 門座機發運方案

1.1 門座機的基本參數

MQ1630門座式起重機機基本組成是：行走機構、門架、轉盤、人字架、臂架、鋼絲繩與吊鉤組系統、電控系統，如圖1所示。軌距4.75 m，基距為9.4 m，整機最小高度27.5 m，起重能力16 t，最大回轉半徑30 m，整機重量約320 t。產品需要從長三角地區運輸至大連某船廠。

圖1 門座機布置圖

1.2 門座機的發運方案確定

目前門座式起重機產品的交付方式主要有三種：1）整機調試完成后滾裝或吊裝運輸交付。此種交付方式具有現場安裝周期短的優點，可以節省現場成本，但是本項目的整機高寬比值達到了5.5，屬于大高寬比貨物且重心高度比較高，整機運輸對船舶的穩性要求較高，運輸成本會增加，加大了運輸的安全風險；2）分上下兩部分單獨調試后吊裝運輸。將運行機構與門架安裝一個整體，稱為下部；將轉盤（含回轉支承）、人字架、電控系統、臂架、吊鉤與鋼絲繩組價安裝成一個整體，稱為上部。分上下兩部分運輸，可以有效降低發運部件的重心高度，對運輸船舶穩性要求也較整機發運低，提高了運輸的安全性；3）小部件運輸，在現場安裝與調試后交付：現場安裝與設備調試周期比較長，成本消耗比較大，一般不采用次重方式。

綜合考慮MQ1630門座式起重機的結構特點、運輸費用、產品交付周期等因素，最終選用了分上下兩部分單獨調試后吊裝運輸的方式進行海路運輸。

2 門座機海綁設計與優化

2.1 配載方案設計

根據門座機上下部分的重量與尺寸，選擇了載重量700T的平板駁船作為運輸工具。門座機上部重量約140 t（含配重），門座機下部重量約180 t（含配重）；運輸船的基本參數為：總長66.8 m，總寬15.6 m，型深2.85 m。運輸時將上部的臂架的變幅鋼絲繩松開，使臂架頭部放置在甲板上，配載方案如圖2所示。

圖2 配載方案

2.2 門座機海綁方案設計

重大型結構件海運綁扎方式分為三種[3-4]：1）剛性支撐綁扎；2）柔性鋼索綁扎；3）剛柔并用的混合綁扎。本文需要發運的結構件主體結構采用剛性支撐綁扎，吊鉤、鋼絲繩等活動件采用柔性鋼絲繩輔助綁扎如圖3。

門座機上部總高17.1 m，重心高度5.9 m。在左右舷，船艏、船尾四個方向，分別使用兩個支撐桿，合計8個支撐桿，進行剛性綁扎固定。轉盤配重塊下位置采用兩個承載25 t的立柱支撐。回轉支承內側位置使用4塊剛性卡板鎖緊（如圖4），防止結構整體滑移。

圖3 上部綁扎方案

圖4 回轉支承卡板設計

門座機下部總高10.3 m，重心高度4 m。行走車輪放置在預先鋪設在船甲板面的軌道上，同樣使用8根支撐桿固定，支撐桿布置方向與上部相同（如圖5）。由于本吊機的軌距很小，抗側翻能力較弱，所以使用8組剛性卡板將車輪固定鎖緊在軌道上（如圖6）。

圖5 下部綁扎方案

圖6 車輪卡板設計

海運綁扎的支撐選用的材料是無縫鋼管，材料等級是Q345B，卡板材料為Q345B等級的鋼板。

2.3 門座機海綁設計方案優化

一般海運綁扎的支撐桿是直接連接產品與船甲板，通過焊接進行固定。直接焊接固定的缺點是：1）焊接與氣割拆除會造成產品表面防腐層的破壞，拆除后需要對防腐層進行修復，造成成本增加；2）裝船時的焊接與卸船時的氣割拆除工作量比較大，效率低，增加運輸船的靠泊時間。

為了節省成本，縮短靠泊時間，在產品制作過程中已經增加了永久性的連接吊耳，支撐桿與吊耳之間通過快拆軸連接（如圖7），既保護了產品的防腐層，也提高了綁扎與拆除的效率，節省了成本。

圖7 快拆軸連接

3 門座機基本受力分析

根據中國船級社《貨運系固手冊編制指南》中改進的計算方法得出運輸船舶的基本加速度[5]，

橫向加速度：

ay=6.5 m/s2

縱向加速度：

ax=2.9 m/s2

垂直加速度：

az=7.6 m/s2

根據修正系數公式：

計算得出修正系數為1.2224。經過修正后：橫向加速度為7.946 m/s2，縱向加速度為3.545 m/s2，垂直加速度為9.290 m/s2。風力為：1 kN/m2。

4 門座機海綁有限元建模與分析

采用ANSYS WORKBENCH 17.1軟件分別對上部和下部建立有限元模型[6]，施加約束與載荷，并進行年計算分析。經過計算并剔除有限元的網格的奇異點數據，得出門座機下部海綁最大應力為85 MPa（見圖8），門座機上部海綁的最大應力為24 MPa（見圖9），均小于材料的需用應力，并保留了足夠的安全系數。表明海綁設計安全。

圖8 上部計算結果

圖9 下部計算結果

5 結束語

本文分析了MQ1630門座式起重機的結構參數；將門座機分成上下兩個部分進行運輸，設計了海運綁扎方案并進行優化，并使用有限元軟件對綁扎方案進行強度校核，使產品安全高效的運輸與交付，可為類似門座機的海綁設計提供了參考。