基于DNVGL規范的大型履帶吊機整體轉運方法

劉芳，左惟東

（1.中外運沙倫氏物流有限公司，上海201204；2.中國外運大件物流有限公司，上海201204）

0 引言

隨著工程項目的建設發展，大型履帶吊機發揮著越來越重要的作用，被廣泛用于建筑、能源、電力、石化、海工等行業。在大型的工程項目建設現場，一臺大型履帶吊機往往需要服務于多個機位，有些機位相距較遠，且項目現場道路情況復雜，大型吊機無法直接行走到位，由此便產生了大型吊機轉運的需求。然而，傳統的大型履帶吊機轉場工序十分繁瑣，其中吊機各個部件拆解、零部件裝車、倒運、零部件卸車、零部件重新組裝等步驟都耗費大量的時間、車輛、人力和成本，同時低效率的轉運也阻礙了整個工程項目的建設進程[1]。因此，有必要提出一種新型的集約化的吊機轉運方式,在技術安全可行的基礎上，具有經濟高效的優勢。

近年來，SPMT（自行式模塊運輸車）在我國有了較多的應用，在海工模塊領域的使用已經比較成熟[2]，然而尚未見到SPMT在吊裝工程設備行業中的應用。SPMT具有靈活性強、承載能力大、道路適應性好等特點，而大型履帶吊機則面臨自重大、尺寸大、部件多、工程場地道路復雜等難題，因此將SPMT應用于大型履帶吊機的整體轉運，能夠提高轉場、轉運效率、降低轉運成本，對大型工程項目建設大有裨益。本文將以德馬格CC8800-1/1600t履帶吊機為例，詳細論述SPMT整體轉運大型履帶吊機轉場的方法。

1 轉場模式對比

傳統的1 600t履帶吊機轉場模式是將吊機的主機、底盤、履帶、起重臂和超起桅桿等主要部分拆解成大約40個零部件（該計數不含配重塊），用運輸車輛進行多次倒運至下一個機位，然后在新機位將零部件重新組裝，整個過程需要多輛運輸車、一至兩臺輔助吊機，多名運輸司機和起重工，拆、裝、運、卸、組等步驟需要耗費20天左右的時間。而SPMT整體轉運履帶吊機的模式則是將吊機（不含主臂）作為一個整體，調整吊機姿態后使得整體重心位置適于運輸，無需拆解零部件，SPMT駛入吊機底盤下方，通過液壓行程將吊機頂起離開地面，行駛至下一個機位，再通過液壓行程將吊機整體落于地面，完成轉運工作。在新機位無需重新組裝零部件，也無需輔助吊機協助倒運，僅需要幾名SPMT操作人員即可完成，倒運過程大約耗費一天時間。從拆解部件數量、時間、人力、車輛、輔助吊機使用情況等五個維度來對比傳統的轉場模式和SPMT轉運模式，見表1。

表1 兩種轉運模式對比

通過表1中數據對比可以得出：用SPMT轉運大型履帶吊機能夠大大縮短作業時間，減少作業工序，降低人力和車輛以及輔助吊機的投入，具有成本低、效率高的優點。

2 吊機整體重心計算和調整

傳統的運輸車輛在倒運吊機零部件時，不需要進行零部件的重心計算，完成綁扎后即可運輸。然而當吊機整體轉運時，重量可達600-700t，屬于重大件貨物，其重心位置對運輸安全性有關鍵影響。為保證大型吊機轉運的安全性，首先要明確吊機各個部件的重量和重心，計算出吊機整體轉場時重量和重心，并根據計算結果進行調整，最終將吊機調整為適合運輸的姿態。

如圖1所示，建立以吊機底盤中心為原點的三維坐標系XYZ，設第i個部件的重量為mi,重心坐標為(xi,yi,zi)；吊機整體重量為m，整體重心坐標(x,y,z)；其中，θ為超起桅桿與地面的夾角。

圖1 吊機坐標系圖

吊機整體的總量m為：

根據力矩平衡原理，吊機整體的坐標(x,y,z)為：

根據式（1）可以得到吊機整體的重量和重心坐標，根據計算結果調節超起桅桿角度θ和配重塊數量，直至吊機整體重心盡可能靠近履帶吊底盤中心即圖中坐標原點，從而增加SPMT轉運吊機時的安全性。

以德馬格1 600t履帶吊機為實例，將θ調整為65°時，通過上述方法計算出吊機整體重量重心，見表2。其中單個零部件的原始重量重心數據來源于起重機制造廠家手冊，組裝后單個零部件相對于原點的重心數據則與部件組裝位置和桅桿角度θ相關[3]。

表2 履帶吊整體重量重心表

3 基于DNVGL規范的SPMT運輸方法

3.1 SPMT布置形式設計

SPMT整體轉運履帶吊機時，車輛布置形式的合理性對安全運輸至關重要。需綜合考慮上述吊機整體的重量、重心計算結果，吊機底盤與SPMT車板接觸支撐點，結合SPMT自身的技術規格進行布置設計。所選用的SPMT技術規格見表3，一個單一的SPMT模塊稱為一個軸線，制造廠家一般以4個軸線或6個軸線組成一個SPMT模組的形式生產，表中數據為一個6軸線模組SPMT技術規格[4]。

表3 6軸線模組SPMT技術規格

經過調整后的履帶吊機整體重量為676.3t，重心與底盤中心的偏離值分別為X=-153mm,Y=-224mm。履帶吊機底盤尺寸為長9.2m、寬8.5m，能夠滿足長為12軸線寬為2列的SPMT進車空間需求，因此，選用2列×12軸線SPMT布置形式。采取在X方向上SPMT車組中心偏離原點（即吊機底盤中心）0mm，在Y方向上SPMT車組中心偏離原點-224mm的車輛布置形式。一般情況下，SPMT采取三點式液壓分組，SPMT布置和液壓分組如圖2所示。

3.2 基于DNVGL規范的安全校核

DNVGL規范給出了SPMT運輸大型貨物時的安全標準[5]：

（1）SPMT軸載荷不超過技術規格中的額定載荷；（2）SPMT對地壓力不超過場地的地面承載能力；（3）SPMT運輸貨物時靜態傾覆角需大于7°；（4）SPMT車板主梁彎矩和剪力不超過額定范圍。

圖2 SPMT布置圖

基于DNVGL規范，對SPMT布置形式進行安全性和可行性校核，從而為SPMT轉運大型履帶吊提供安全保障。

3.2.1 SPMT軸載荷計算。SPMT在運輸過程中一般將所有的軸線分為三個液壓分組G1,G2,G3（如圖3所示），定義G1的中心點為A點，G2的中心點為B點，G3的中心點為C點，貨物重心為G點，將三個液壓分組的中心點連線，可以得到液壓三角形△ABC。SPMT每個液壓分組承擔一部分貨物重量，并將該組承擔重量均勻的分配到組內的每一個軸線的液壓懸掛中，即同一液壓分組內的軸載荷相同。因此，SPMT的軸載荷與貨物重量、貨物重心與液壓分組三角形的相對位置、液壓分組內軸線數量等因素相關。

圖3 SPMT液壓分組示例

建立液壓分組受力幾何模型，對于△ABC，過A點向BC做垂線，垂足為O點，以O點為原點建立直角坐標系；過G點分別向AO，BC做垂線，垂足為D，E;如圖4所示。

圖4 液壓分組受力幾何模型

根據力矩平衡原理：

其中:

G總為車貨總重量；

G1,G2,G3分別為三個液壓分組承擔的載荷；

Ni為第i個液壓分組內軸線數量；

FALi為第i個液壓分組內每個軸線的軸載荷；

代入3.1節中的SPMT布置形式和吊機重量重心數據，得到每個液壓分組內的軸載荷:

參考3.1節中的SPMT技術規范，該布置形式下，最高軸載荷為33.4t/軸線，在允許使用范圍內。

3.2.2 SPMT對地壓力計算。SPMT每個軸線有4個輪胎，能夠較好的將軸載荷分載于地面，其分載效果近似等于軸線車板在地面上的垂直投影，因此對地壓力計算可以采取對地投影面積計算法，即：

其中，Fsi為第i組軸線對地壓力，FALi為第i組軸線軸載荷，B為一軸線寬度，L為一軸線長度。

代入3.1.1節中軸載荷計算結果，得到：

通常情況下，1 600t履帶吊機對場地承載能力要求為30t/m2,而SPMT通過自身分載效果，將對場地承載能力要求降低為10t/m2，常規的吊機現場可以滿足SPMT轉運吊機時的對地壓力要求。3.2.3 SPMT運輸傾覆角計算。DNVGL規范要求SPMT運輸大件貨物時，其運輸傾覆角需大于7°，運輸傾覆角是SPMT運輸抗傾覆能力的重要指標，主要受到液壓三角形、重心高度、重心在液壓三角形平面上的投影與液壓三角形相對位置三個因素影響。將SPMT液壓分組與貨物重心的關系簡化為三維幾何模型，如圖5所示。

圖5 液壓分組與貨物重心關系三維幾何模型

其中，△ABC為SPMT液壓分組平面，G為貨物重心位置，G’為貨物重心G在△ABC面上的正投影，h為貨物重心G到G’的垂直距離，d為G’到△ABC的垂直最短距離，θ為運輸傾覆角。通過幾何模型，可以發現運輸傾覆角θ在直角三角形中存在以下關系：

因此可求得：

將SPMT布置形式和貨物重心數據代入上述幾何模型，得出θ=9.3°，滿足DNVGL規范要求。

3.2.4 SPMT車板主梁彎矩和剪力計算。SPMT的主梁受力模型與傳統的普通平板運輸車主梁受力模型不同，普通平板運輸車主梁受力是從上而下的，貨物重量施加于支撐點，由支撐點施加于主梁，由主梁施加于懸掛，因此不同位置的懸掛的受力是不同的，這些不同的力反作用于主梁。因此，普通平板車的主梁受力模型是將懸掛作為固定約束，在支撐點施加向下的作用力。然而SPMT由于液壓懸掛的存在，液壓分組內的壓力會被重新分配，最終使得同一個液壓分組內的懸掛壓力值處處相等，這些相同的壓力反作用于主梁。因此，SPMT主梁受力模型是將支撐點作為固定約束，每個懸掛對主梁施加一個向上的反作用力[6]。

SPMT運輸時，車板主梁受力主要受到貨物重量重心、液壓分組、軸載荷和貨物與車板之間的支撐位置等因素影響。值得注意的是，由于SPMT同一液壓分組內每一軸線的軸載荷相同，其物理受力模型可以簡化如圖6，其中包含兩個支撐約束，12個液壓懸掛反作用力，以及1個車頭重力。

圖6 車板主梁物理受力模型

將3.2.1節中的軸載荷數據代入該物理模型，用ANSYS APDL進行處理，得到車板主梁的彎矩圖和剪力圖（如圖7、8所示）。參考3.1節中的SPMT技術規范，該模型下，彎矩極值為-205.2KNm，+3 993.4KNm，彎矩在使用范圍內；剪力極值為-1 297KN，+1 264KN，剪力在使用范圍內。

圖7 車板主梁彎矩圖

綜上，基于DNVGL規范，SPMT整體轉運大型履帶吊機各項關鍵參數均符合安全要求，該方法具有安全性和可行性。

圖8 車板主梁剪力圖

4 結語

為解決傳統的吊機拆解轉運模式的效率低、成本高的問題，提出一種使用SPMT整體轉運大型履帶吊機的方法。以1 600t履帶吊機轉場為實例，通過對比兩種轉運模式得出SPMT模式具有降本增效的優點?；贒NVGL規范，驗證了SPMT轉運大型履帶吊的安全性和可行性，給出了吊機重心計算和調整方法，對SPMT布置設計和關鍵參數計算做了說明。該方法在經濟和技術上具有一定的優勢性，對其他大型履帶吊機或大型機械設備的轉場具有借鑒意義。