室內(nèi)船塢用大型門(mén)式起重機(jī)起升小車設(shè)計(jì)研究

高偉東

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司 上海 200090

0 引言

隨著我國(guó)旅游業(yè)的快速發(fā)展，郵輪旅游作為新興休閑度假方式越來(lái)越受到消費(fèi)者的喜愛(ài)。其中大型豪華郵輪更是國(guó)際造船業(yè)公認(rèn)的高技術(shù)、高附加值、高可靠性的三高船舶。目前，國(guó)內(nèi)在郵輪建造方面還處于探索階段，由于豪華郵輪等高端船舶制造有著嚴(yán)苛的質(zhì)量要求，采用在室內(nèi)船塢中建造的方式更容易保證質(zhì)量，同時(shí)更能夠確保郵輪的建造周期。圖1為德國(guó)某造船廠室內(nèi)船塢，其內(nèi)部配置了一臺(tái)起重量800 t的大型門(mén)式起重機(jī)，跨度112 m，是整個(gè)船舶建造工藝中的關(guān)鍵設(shè)備。由于作業(yè)空間尺寸限制，機(jī)型的設(shè)計(jì)和以往常規(guī)門(mén)式起重機(jī)有較大差異。

圖1 室內(nèi)船塢全景

根據(jù)國(guó)內(nèi)某廠的工藝需求，現(xiàn)研制的室內(nèi)船塢用門(mén)式起重機(jī)起重量將達(dá)1 200 t，跨度155m，最大起升高度67 m，其中上小車起重能力為2×400 t，下小車起重能力為600 t，兩部小車聯(lián)合作業(yè)時(shí)可起吊1 200 t負(fù)載。本文針對(duì)室內(nèi)船塢用大型門(mén)式起重機(jī)起升小車關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 常規(guī)船塢造船用大型門(mén)式起重機(jī)特點(diǎn)分析

目前，國(guó)內(nèi)造船愈來(lái)愈趨向采用大分段建造方式，單個(gè)大分段質(zhì)量已超過(guò)600 t，有的已經(jīng)達(dá)到1 000 t以上，目的是為了縮短船塢的使用周期，提高船塢的利用率，即分段在船體車間預(yù)制，通過(guò)平移設(shè)備（如模塊車等）移至分段堆場(chǎng)，然后再利用起重設(shè)備將預(yù)制分段吊運(yùn)至船塢內(nèi)，進(jìn)行船體拼裝焊接。大型造船門(mén)式起重機(jī)可以勝任大分段的吊運(yùn)工作，它橫跨船塢和裝焊平臺(tái)，輕松覆蓋整個(gè)作業(yè)區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)船體分段的空中翻身，從而把分段調(diào)節(jié)到所需的最佳焊接位置。

大型造船門(mén)式起重機(jī)一般在主梁上設(shè)置2臺(tái)起升小車，1臺(tái)配置了2套起升機(jī)構(gòu)的上小車，1臺(tái)配置了1套起升機(jī)構(gòu)的下小車。圖2是分段翻身作業(yè)過(guò)程示意圖。翻身作業(yè)通過(guò)2臺(tái)小車的配合來(lái)完成，首先船體分段由2臺(tái)小車的3套起升機(jī)構(gòu)共同進(jìn)行提升，達(dá)到設(shè)定高度后，通過(guò)調(diào)整吊鉤的升降，使整個(gè)分段都由上小車來(lái)承受，卸載后的下小車從上小車下穿過(guò)，然后將下小車吊鉤重新連接在分段的另一側(cè)；這時(shí)上小車吊鉤下降，下小車吊鉤上升，從而實(shí)現(xiàn)分段空中翻身。

圖2 分段翻身作業(yè)過(guò)程示意圖

大型門(mén)式起重機(jī)按主梁結(jié)構(gòu)形式可分為雙梁門(mén)式起重機(jī)和單梁門(mén)式起重機(jī)。圖3是雙梁門(mén)式起重機(jī)，其特點(diǎn)是主梁由2根平行的倒梯形箱梁結(jié)構(gòu)組成，上小車在2根箱形梁頂面外側(cè)布置的軌道上運(yùn)行，下小車在2根箱形梁頂面內(nèi)側(cè)布置的軌道上運(yùn)行，下小車可以從上小車門(mén)式車架結(jié)構(gòu)下穿行。

圖3 雙梁門(mén)式起重機(jī)

圖4 單梁門(mén)式起重機(jī)

單梁門(mén)式起重機(jī)的特點(diǎn)是主梁由1根倒梯形箱梁結(jié)構(gòu)組成，上小車在箱梁頂面的軌道上運(yùn)行，下小車懸掛在箱梁下部，同樣可以滿足上下小車穿行的功能。

由于常規(guī)造船門(mén)式起重機(jī)主要關(guān)注主梁底部?jī)艨崭咭詽M足分段吊運(yùn)和搭載等工作需求，而起升小車的高度并不是嚴(yán)格控制的指標(biāo)，現(xiàn)將以往設(shè)計(jì)的起重能力600 t以上的雙梁和單梁門(mén)式起重機(jī)上下小車高度進(jìn)行匯總?cè)绫?表2所示。

表1 雙梁門(mén)式起重機(jī)上下小車高度匯總

表2 單梁門(mén)式起重機(jī)上下小車高度匯總表

從匯總情況可知，單梁門(mén)式起重機(jī)上下小車所需凈空尺寸達(dá)到17 m，雙梁門(mén)式起重機(jī)上下小車所需凈空尺寸為11～12 m，室內(nèi)船塢中采用雙梁門(mén)式起重機(jī)更有利。但是如果再考慮主梁的高度一般為10～12 m，從主梁底部以上就需要20余m的凈空高度，因此，如何降低上下小車所需凈空高度是設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵目標(biāo),實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)可以降低整個(gè)外部廠房的高度，減少整個(gè)工程的投資，提高經(jīng)濟(jì)性。

2 起升小車設(shè)計(jì)方案

2.1 下小車設(shè)計(jì)方案

為降低門(mén)式起重機(jī)上下小車所需凈空高度，首先研究如何減少下小車所需凈空高度，由于大型門(mén)式起重機(jī)主梁自身有10～12 m的高度，所以下小車著重考慮利用主梁的高度空間進(jìn)行布置。設(shè)計(jì)方案考慮采用內(nèi)藏式下小車和下沉式下小車2種形式。

如圖5所示，下小車運(yùn)行于主梁內(nèi)側(cè)下部布置的軌道上。小車整體隱藏在主梁高度空間內(nèi)，為內(nèi)藏式下小車。

圖5 內(nèi)藏式下小車

如圖6所示，下小車運(yùn)行于主梁頂面內(nèi)側(cè)布置的軌道上。下小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及部分車架結(jié)構(gòu)突出于主梁頂面上，下小車起升機(jī)構(gòu)和車架平臺(tái)均位于主梁內(nèi)側(cè)空間。

圖6 下沉式下小車

內(nèi)藏式下小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)受主梁腹板影響，檢修空間有限，后期維護(hù)保養(yǎng)不方便；且吊鉤無(wú)法起升到主梁底面高度，影響起升范圍。下沉式起升小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)布置在主梁頂面上，雖然增加一些高度，但考慮到可以和上小車共用這一段高度空間，并不會(huì)影響整機(jī)對(duì)凈空高度要求。運(yùn)行機(jī)構(gòu)的檢修問(wèn)題容易解決，同時(shí)下小車的起升高度范圍也不受影響。因此下小車采用下沉式優(yōu)勢(shì)更突出。

2.2 上小車設(shè)計(jì)方案

1)常規(guī)單梁上小車 當(dāng)下小車采用內(nèi)藏式或下沉式，上小車的下部空間可以大大降低，因此上小車可以采用以往應(yīng)用于單梁門(mén)式起重機(jī)的小車型式（見(jiàn)圖7），即小車車架平臺(tái)直接與運(yùn)行機(jī)構(gòu)連接，從而降低小車整體高度尺寸。

圖7 單梁門(mén)式起重機(jī)上小車

2)卷筒下沉式布置 通過(guò)分析常規(guī)單梁門(mén)式起重機(jī)上小車型式，起升卷筒直接安裝于車架平臺(tái)上，小車所須凈空高度尺寸較大。因此設(shè)計(jì)考慮將起升卷筒下沉到車架平臺(tái)內(nèi)，進(jìn)一步降低小車的高度。方案如圖8所示。

圖8 卷筒下沉式上小車

3)卷筒外懸式小車 按照方案2）卷筒下沉式小車，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和起升卷筒布置在車架上，雖然起升卷筒的位置有降低，但仍占據(jù)一定的高度空間，由此考慮將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和起升卷筒采用外懸式布置,可以再降低車架整體高度。如圖9所示。

圖9 卷筒外懸式上小車

4）外掛式小車 卷筒外懸式小車因?yàn)轵?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和起升卷筒均布置在上小車軌道外側(cè)，同時(shí)起升載荷也作用于上小車架的懸臂端，所以車架所受的外載力矩較大，對(duì)車架強(qiáng)度有較大影響，造成小車整體自重增加。因此設(shè)計(jì)上考慮采用分體形式，上小車分成2個(gè)對(duì)稱小車，分別外掛于2根主梁的外側(cè)，同時(shí)在主梁外側(cè)下翼緣板處增設(shè)軌道，小車通過(guò)水平安裝的走輪來(lái)承受小車自重和吊載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。如圖10所示。

圖10 外掛式上小車

2.3 起升小車綜合方案

綜合上述，為更好地滿足室內(nèi)用門(mén)式起重機(jī)的使用要求，并達(dá)到降低起重機(jī)整體高度的目的，確定起升小車型式為：下小車采用下沉式方案，上小車則采用分體外掛式方案。綜合方案如圖11所示。

圖11 起升小車綜合方案

綜合方案設(shè)計(jì)突出優(yōu)點(diǎn)：

1）小車所需凈空尺寸小 起升小車設(shè)計(jì)中充分利用門(mén)式起重機(jī)的主梁高度空間，僅有運(yùn)行機(jī)構(gòu)和部分聯(lián)系梁突出主梁頂面，小車絕大部分如驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、卷筒及起升系統(tǒng)布置在主梁中間或側(cè)面。設(shè)計(jì)方案有效地降低了門(mén)式起重機(jī)的凈空高度。

2）機(jī)構(gòu)采用垂直布置方式 由于小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和卷筒布置在2根主梁中間和外側(cè)，若采用常規(guī)橫向布置，小車的軌距會(huì)大大增加，同時(shí)也會(huì)增加上小車兩鉤聯(lián)吊間距，影響后期起重機(jī)作業(yè)工藝。而且外掛式小車向主梁外側(cè)橫向尺寸增加，會(huì)增大自重產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，從而影響小車的載荷狀態(tài)。設(shè)計(jì)中考慮將起升卷筒與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑輪系統(tǒng)上下布置，充分利用了高度空間，減小小車的平臺(tái)尺寸，降低小車的自重。

3 起升小車設(shè)計(jì)方案確定

小車形式與以往形式有較大區(qū)別，因此將在2根主梁中間運(yùn)行的小車定義為中間小車，而將懸于主梁外側(cè)的小車定義為外掛小車。

3.1 中間小車

中間小車運(yùn)行于2根主梁內(nèi)側(cè)頂面的軌道上，由1組獨(dú)立的600 t起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、車架、扶梯和平臺(tái)等機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)組成。中間小車可單獨(dú)作業(yè)，也可以和外掛小車聯(lián)合作業(yè)，完成分段的空中翻身、聯(lián)合抬吊等工作要求。

中間小車起升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、減速器、開(kāi)式齒輪、卷筒、滑輪組、鋼絲繩及吊具等部分組成。在導(dǎo)向滑輪上設(shè)有載荷傳感器，用于重量顯示和超負(fù)荷保護(hù)。

鋼絲繩在卷筒上采用單聯(lián)雙層卷繞形式，且雙層鋼絲繩同時(shí)卷入或放出總是平行卷繞，以確保作業(yè)時(shí)鉤頭垂直度公差控制在5%以內(nèi)。卷筒上同時(shí)有2根鋼絲繩引出，通過(guò)排繩機(jī)構(gòu)進(jìn)入定滑輪。卷筒岀軸上裝有高度限制器和編碼器，用于吊鉤的上下限位和同步控制。

起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)采用變頻專用電動(dòng)機(jī)，末端的軸伸上安裝有超速開(kāi)關(guān)和光電編碼器，用于以檢測(cè)起升速度、并提供超速保護(hù)與閉環(huán)控制；在調(diào)速系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)中間小車與外掛小車上的3個(gè)吊鉤聯(lián)合抬吊作業(yè)時(shí)的速度同步和速度調(diào)節(jié)。

如圖12、圖13所示，中間小車起升機(jī)構(gòu)采用垂直布置，卷筒安裝在上層，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、排繩機(jī)構(gòu)以及定滑輪組均布置下層，充分利用高度方向空間，減小小車橫向尺寸。

圖12 中間小車主視圖

圖13 中間小車側(cè)視圖

圖14為中間小車架結(jié)構(gòu)圖。小車架針對(duì)機(jī)構(gòu)布置，分為3層結(jié)構(gòu)，最上層是與運(yùn)行機(jī)構(gòu)鉸接的聯(lián)系梁，中間層為卷筒安裝梁，最下層平臺(tái)上安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、排繩機(jī)構(gòu)以及定滑輪組。

圖14 中間小車架結(jié)構(gòu)圖

為確保新的小車結(jié)構(gòu)形式的有效性，安全性，采用車架結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行分析。圖15為中間小車結(jié)構(gòu)模型加載圖，圖16為中間小車結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖。

圖15 中間小車結(jié)構(gòu)模型加載圖

圖16 中間小車結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖

3.2 外掛小車

本文門(mén)式起重機(jī)共設(shè)置2臺(tái)外掛小車，分別安裝在2根主梁的外側(cè)。

單臺(tái)外掛小車通過(guò)2條軌道運(yùn)行，一條軌道設(shè)置在主梁外側(cè)頂面上，另一條軌道則水平設(shè)置在主梁外側(cè)下底板處。

外掛小車采用與中間小車相同的機(jī)構(gòu)形式。由1組獨(dú)立的400 t起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、車架、扶梯和平臺(tái)等組成。外掛小車可單獨(dú)作業(yè)，也可以兩部外掛小車聯(lián)合作業(yè)，或者與中間小車聯(lián)合作業(yè)。

如圖17、圖18所示，外掛小車如同傘柄般懸于主梁外側(cè)，整個(gè)小車大部分機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)均在主梁側(cè)面。外掛小車機(jī)構(gòu)同樣采用中間小車的垂直布置形式，減小車架外伸的長(zhǎng)度。在外掛小車的下部設(shè)置水平走輪，承受由小車自重和吊重產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

圖17 外掛小車主視圖

圖18 外掛小車側(cè)視圖

圖19為外掛小車車架結(jié)構(gòu)圖。小車架分為四層結(jié)構(gòu)，最上層是與運(yùn)行機(jī)構(gòu)鉸接的聯(lián)系梁，接著為卷筒安裝平臺(tái)，再下一層平臺(tái)上安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、排繩機(jī)構(gòu)以及定滑輪組。最后通過(guò)桁架結(jié)構(gòu)與底部的水平走輪安裝架相連。

圖19 外掛小車車架結(jié)構(gòu)圖

對(duì)車架結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行分析，計(jì)算運(yùn)行機(jī)構(gòu)聯(lián)系梁與車架結(jié)構(gòu)剛接以及車架箱形梁與桁架結(jié)構(gòu)連接。圖20為外掛小車結(jié)構(gòu)模型加載圖，圖21為外掛小車結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖。

圖20 外掛小車結(jié)構(gòu)模型加載圖

圖21 外掛小車結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)以往起重機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，為室內(nèi)船塢用大型門(mén)式起重機(jī)起升小車提出一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，在滿足起重機(jī)作業(yè)工況條件，有效地降低整機(jī)高度方面，對(duì)新型起重機(jī)裝備的設(shè)計(jì)和建造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。