桅桿式起重機及其回轉關鍵技術研究

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

海洋工程的發展不僅代表各國海洋資源上的利益，更被提升到國家戰略的高度，發展海洋工程事業已經成為國際性大趨勢和各沿海國家的戰略抉擇。在新能源方面，海洋風電的迅速崛起也為海洋裝備市場提供了充足的動力。

海上起重設備中A架型起重機數量最多，其具有可回轉、可擺動的懸伸臂架，大多配置起升、回轉、變幅等機構[1]?；剞D軸承作為全回轉起重機最重要的關鍵部件之一，其強度、剛度直接影響起重機的安全性、可靠性。起重機在起吊重物時，吊載所產生的巨大傾覆力矩作用在回轉軸承上，在水平力和彎矩的作用嚴重影響回轉軸承使用壽命，而且由于回轉軸承所處位置位于起重船甲板平臺的中央區域，一旦損壞更換不易，更換成本也很高。本文所述桅桿式起重機由于其設計特點，回轉軸承所受傾覆力矩大大減小，且軸承直徑與常規浮式起重機相比大大縮小，使得整機結構緊湊，可有效提高船體或平臺利用率。

2 桅桿式起重機形式及工作原理

桅桿式起重機以垂直桅桿為承載構件，具有回轉空間小、結構緊湊、起重能力大等特點，是海上起重設備中的新產品。與其他類型的起重機相比，桅桿式起重機僅占據有限的船舶或平臺空間。鑒于桅桿式起重機獨特的結構優勢，越來越多的國內外客戶開始選擇桅桿式起重機。上海振華重工在2014年成功研發出國內首臺500 t桅桿式起重機，填補了國內技術空白[2]。2018年，上海振華重工又自主研發、設計、制造了1 600 t桅桿式起重機。國內對于新型海上桅桿式起重機的研發剛剛起步，還需要吸收先進的設計理念，提高自主設計制造能力。

桅桿式起重機由吊臂、固定桅桿、轉臺、絞車機構、回轉軸承、頂部回轉裝置、電控系統等組成(見圖1)。從桅桿式起重機結構形式可以看出，起重機在起吊重物時，無論臂架處于哪種角度，變幅鋼絲繩軸向拉力中心線在頂部回轉軸承附近，臂架軸向壓力中心線在回轉軸承附近或穿過回轉軸承，因此只有很小的力臂，自然產生的傾覆力矩很小。與常規A架型起重機不同，桅桿式起重機起吊貨物所產生的傾覆力矩主要由固定桅桿承受，其優點為：固定桅桿承受傾覆力矩的能力大大優于回轉軸承，可以使回轉軸承設計直徑大幅縮小，整機結構緊湊；取消了A架型起重機分擔回轉軸承壓力的配重箱，可減輕整機重量；整機對于船體甲板空間要求小，便于船體布置，可提高甲板利用率。

由圖1可看出，由于固定桅桿承受傾覆力矩能力大大優于回轉軸承，不僅可以減小整機回轉部分直徑，還能適度提高整機重心，這樣在相同船外幅度下可以獲得更大的起升高度。主要絞車設備都布置在起重機內部空間，與海洋環境隔離，極大減少了維護工作量。

1.起升鋼絲繩 2.頂部回轉裝置 3.固定桅桿 4.轉臺 5.回轉軸承 6.基座 7.絞車機構 8.變幅鋼絲繩 9.吊臂 10.擱座圖1 海上桅桿式起重機

3 桅桿式起重機回轉關鍵技術

轉臺處回轉軸承與常規A架型起重機相同，但因不承擔傾覆力矩，可以選擇直徑較小的型號。起重機回轉時，回轉機構驅動轉臺和臂架旋轉，其繞桅桿做回轉運動。桅桿頂部回轉裝置不安裝驅動機構，其回轉動作由吊機變幅鋼絲繩帶動。本文重點介紹桅桿頂部回轉裝置，這也是桅桿式起重機關鍵回轉部件。

頂部回轉裝置由回轉軸承和鋼絲繩分繩器組成。由于桅桿頂部回轉裝置為從動件，滑輪位置布置變得尤為重要，如位置布置不當則會發生頂部回轉裝置與臂架回轉不同步的情況，從而引發變幅鋼絲繩從滑輪出槽的事故。如圖2所示，桅桿頂部回轉裝置由4個主要部分組成，起重機變幅力通過分繩器和回轉軸承向固定桅桿傳遞。整個頂部組件不設置動力源，回轉動作由變幅繩牽引完成。分繩器設置變幅鋼絲繩換向支架和起升鋼絲繩換向支架，用于安裝相應改向滑輪組。變幅鋼絲繩和起升鋼絲繩從結構內部絞車卷筒經分繩器的改向滑輪(組)，傳遞至臂架相應位置，完成鋼絲繩纏繞系統，達到分繩的目的。分繩器的設置可以讓絞車機構布置于結構內部，與外界海洋環境隔離，減少鹽霧腐蝕，降低維護工作量。

1.變幅滑輪組 2.鋼絲繩分繩器 3.頂部回轉軸承 4.吊機桅桿圖2 桅桿頂部回轉裝置

4 回轉分繩器設計計算

由于頂部回轉裝置無驅動機構，其動力來源于臂架頭部變幅鋼絲繩牽引拖拽，要使其順利轉動需克服自身摩擦阻力，必須合理計算確定變幅滑輪組位置。如圖3所示，吊機變幅鋼絲繩受力為F，變幅鋼絲繩與水平面夾角為α，變幅滑輪組距離吊機回轉中心距離為L，上部回轉軸承滾道直徑為D。將變幅鋼絲繩力進行水平和豎直方向分解得到水平分力Fh和豎直分力Fv：

Fh=Fcosα

(1)

Fv=Fsinα

(2)

頂部滑輪組旋轉所受到的阻力矩T為：

(3)

式中，ω為回轉軸承摩擦因數，取ω=0.015。

圖3 頂部回轉裝置滑輪組布置示意圖

在吊機剛剛開始回轉動作時，由于桅桿頂部滑輪組轉動靠變幅鋼絲繩拖拽，同時加上鋼絲繩的柔性特性，會使桅桿頂部滑輪組和臂架回轉之間產生一個延時，使變幅鋼絲繩與變幅滑輪之間產生一個夾角。假設吊機做逆時針回轉，此時變幅鋼絲繩與滑輪之間夾角為β。則整個桅桿頂部滑輪組由于變幅鋼絲繩產生的轉矩M為：

M=FLcosαsinβ

(4)

(5)

起重機設計規范中，滑輪上鋼絲繩夾角大小β要求不大于3°,取sinβmax=sin3°=0.052。根據目前國內自主設計制造的2臺桅桿式起重機情況分析，在吊機臂架最大工作角度時，變幅鋼絲繩與水平面夾角α均不超過70°，取tanαmax=tan70°=2.747，帶入式(5)可得：L>0.54D

5 結語

目前海上風電項目的發展對浮式起重機起升高度提出了更高的要求，海上桅桿式起重機作為一種新型海洋裝備，有效提高了相同幅度下的起升高度。同時也因其獨特的結構形式及占用船體或平臺空間小、回轉軸承直徑小、整機重量輕等優勢，已逐漸得到用戶認可。