船用起重機臂架防后傾支架設計

曾祥有

（豪氏威馬（中國）有限公司，福建 漳州 363122）

為了使動臂起重機達到盡可能小的起重半徑，通常把動臂的最大工作角度設計成盡可能的小，比如大于85度，接近90度。這就使臂架在多種條件下存在后翻的可能性。動臂起重機柔性的變幅鋼絲繩，無法支撐臂架的后翻，因此，需要設計額外的剛性支架，用于支撐臂架。這一問題，在船用起重機中尤為突出。船用起重機所安裝的船體，在海浪的作用下，可能產生各個方向的運動，容易使得臂架產生往后傾覆。

2020年5月，在德國羅斯托克碼頭，一臺正在測試的5000噸風電安裝起重機，在進行負載測試時，吊鉤發生斷裂，起重機突然失去載荷，引發船體發生了大角度傾斜，帶動臂架后翻，直至撞擊在人字架頂部橫梁折斷。這一重大事故，造成了起重本身的嚴重毀壞，船體也嚴重受損，預計損失超過1億歐元。

從監控視頻可以看到，在人字架的中部設有防后傾支架，但在臂架后翻時，未起到支撐作用。繼而臂架繼續后翻，直到和人字架頂部碰撞，臂架攔腰折斷。盡管此次事故的根本原因在于吊鉤的斷裂，但試想一下，假如在臂架和防后傾支架產生接觸的初始狀態下，支架強度足夠，便可阻止臂架加速后翻，避免造成后續的重大事故，從而減小事故造成的損失。

防后傾支架的設計載荷屬于一種特殊載荷，在設計中容易被忽視，有必要給予更多重視。

1 后傾發生的原因與計算方法

以圖1所示風電安裝起重機為例，闡述臂架發生后傾的可能存在的多種原因，及其對應的載荷計算方法。

1．1 限位開關、過載保護裝置失效

在動臂起重機中，通常設置有臂架角度傳感器，用來監測臂架角度，可設置最高角度限位。類似的，可在俯仰絞車卷筒設置鋼絲繩長傳感器，同樣可以根據繩長推算出臂架角度，對其設置臂架角度限位。同時，在俯仰滑輪組內同時也配置了測重銷，可以監測鋼絲繩的拉力，以此判斷俯仰力是否超載。最后，在防后傾支架上也安裝了接近開關，在臂架抬升到相應的角度時，臂架起升會做出減速、停止等動作，起到保護作用。

假設所有的傳感器同時失效，在臂架抬升到最高角度后，臂架和防后傾支架產生接觸，俯仰絞車繼續工作，持續拉升臂架。此時，可使用變幅絞車可產生最大的扭矩作為輸入條件，計算支架上的載荷。當臂架長度較短時，用此方法的所得到支架載荷并不大。但當臂架長度較長時，變幅鋼絲繩對應的力臂較長，計算得到防后傾支架上的作用力將很大。如圖2所示。假設變幅絞車能產生最大的扭矩為T，絞車半徑為R，鋼絲繩最大拉力為T/R，鋼絲繩組的倍率為n，因此，可得變幅鋼絲繩上的最大拉力為n·T/R。其對應的力臂為L1，防后傾支架作用力相對于臂架鉸點的力臂為L2，可計算得到支架上的作用力為n·T/R·L1/L2。

圖1 風電起重機的組成

圖2 起重機傳感器分布圖

1．2 起吊重物突然卸載

考慮到意外事故或者操作失誤的因素，有可能發生重物的突然卸載。在載荷的作用下，臂架俯仰鋼絲繩將被拉長，當重物突然卸載時，伸長的變幅鋼絲在在短時間內仍將產生拉力，作用于臂架上。特別是起重機工作于最小工作半徑時，臂架處在最高角度，臂架與防后傾支架的距離很小。載荷突然卸載，伸長的變幅鋼絲繩欲恢復原長度，將產生較大的回彈力，作用在臂架上，直至臂架頂在防后傾支架上。此種情況下，變幅鋼絲繩的作用將引起臂架的彎曲變形，因此，可將變幅鋼絲繩和臂架結構視為由兩個彈簧串聯組成的系統，根據變形條件，計算載荷突然卸載條件下，變幅系統的內力，在此基礎上，根據幾何關系，可計算作用于防后傾支架上的力。計算簡圖如圖3。

圖3 計算簡圖

起重機在最高工作角度時，在人字架頂部和臂架頭部之間的變幅鋼絲繩長度為L，鋼絲繩彈性模量為E，多根鋼絲繩橫截面積之和為A。在重物突然卸載前，變幅鋼絲繩受到的拉力為Fp，產生伸長量為l1。

臂架在俯仰鋼絲繩反彈力的作用下，將產生彎曲變形。可以將其視為以臂架轉動中心為鉸點，以防后傾支架為支撐點的外伸梁。

重新平衡后，假設此時鋼絲繩的內力為，重新計算鋼絲繩的新伸長量，臂架的彎曲撓度為，鋼絲繩的剛度為k1，臂架在懸臂梁條件下，彎曲變形剛度為k2。臂架彎曲撓度在鋼絲繩方向上的投影形變與鋼絲繩的新伸長量之和，等于鋼絲繩原伸長量，根據此等式可計算得到新的鋼絲繩內力。

同理，根據力矩平衡條件，可計算支架上的作用力。

1．3 船體的運動造成臂架后傾

在吊鉤突然卸載情況下，考慮船體將產生相應的運動，一般船體的運動包含三種運動形式，即橫搖運動、縱搖運動和垂向運動。其中，橫搖運動對船體影響最大，假設一定的橫搖角度，根據船型，即可求得橫搖加速度。橫搖加速度作用在臂架重心上，臂架將發生后傾，作用與支架上，可求得支架上的作用力。還有一類船用起重機，沒有配備額外的臂架支撐架，在航行過程中，臂架被抬升到最高角度，和防后傾支架接觸，俯仰鋼絲繩保持一定的張緊力。在船體航行中，在海浪的作用下，臂架將承受相應的船體橫搖加速度，加速度將作用在臂架的重心位置。把臂架視為外伸梁，在鋼絲繩的張緊力和加速度引起的橫向力的綜合作用下，可求得防后傾支架上的支反力。

1．4 船級社規范設計要求

對與防后傾支架的設計載荷的確定，在船級社規范里并未太多提及，在各種規范要求中，未對具體載荷的計算做明確規定，如中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范》中，對于第四類載荷（起重機承受特殊載荷），這些載荷中的第二類，起升鋼索破斷或帶平衡重的起重機平衡重突然跌落。在勞氏規范中提及，用20%安全工作載荷豎直向上，據此可計算出支架上的載荷，據此驗算相應的結構。

2 結語

計算得到防后傾支架上的最大作用力后，可綜合考慮，把和支架直接相連的臂架、人字架等結構設計成同等強度，由此可保證整臺起重機在該工況下安全。值得一提的是，起重機類型不同，臂架長度不同，按不同方法計算得到的支架作用力也差別很大。如用于風電安裝的繞樁式起重機，由于臂架通常較長，俯仰鋼絲繩作用線的力臂較長，防后傾支架離臂架鏈點的位置又較近，俯仰鋼絲繩上的力會被放大多倍，在支架上得到很大的載荷，如按此載荷去設計臂架、人字架等結構，勢必造成材料的浪費。如重件運輸船上安裝的重型桅桿式起重機，臂架長度較小，按以上各種方法計算得到的支架上的作用力并不。因此，有必要根據具體情況，選擇合適的設計計算方法，合理設計防后傾支架系統。