半潛起重船吊機升沉補償裝置參數優化研究★

劉 博 秦立成 彭甲志 高瑩瑩

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

1 升沉補償裝置參數優化的意義

半潛起重船海上吊裝施工時運動導致吊纜受力過大，為了減少受力，本文對普通缸、復合缸、串聯缸和并聯缸吊機的升沉補償裝置進行了探討，研究了升沉補償裝置機理并進行了優化設計，減少了升沉運動導致的被吊重物產生過大的受力。橫搖和縱向運動可由萬向節運動補償裝置來克服，縱向和橫向平面內運動可由螺旋槳的動力定位或系泊限制系統補償。垂向升沉運動會對起重機設備產生較大的影響，由于過大的升沉運動會導致被吊重物產生過大的運動，并且產生較大的起重力。因此，需要研究相關的補償裝置以便減小垂蕩運動對被吊物的影響。

目前根據能量來源的不同可將升沉補償系統分為主動、被動和半主動三種。主動系統由液壓泵供電，滯后幅度小，補償的精度很高，但耗費能量大。被動系統能量全部來自船舶升沉產生的運動，無需附加電源，但滯后非常嚴重，精度補償低。半主動系統綜合了前兩種系統的優點，由蓄能器和液壓泵提供能量，既能兼顧提高補償精度，又能降低系統能耗。在實際應用中，船用起吊設備將在2級～6級海況下作業發生劇烈的升沉運動，利用升沉補償系統可以減小升沉運動，從而使起重機能夠正常起升作業。

2 升沉補償裝置設計方法

2.1 串聯油缸方式

常見的主動升沉補償系統通常采用四種設計方案，即普通缸、復合缸、串聯缸和并聯缸。圖1顯示了氣缸系列的設計方案。雙缸系列是在一條直線上使用主動缸2和被動缸1。該方法的優點是可以進行力的疊加，利用能量實現了升沉的補償。主要能量由被動氣缸提供，而較少的能量由主動氣缸提供，這使得兩個氣缸很難協調，主要是因氣缸1的尺寸大，氣缸2的尺寸相對小。加上雙缸串聯使用，安裝難度很大，因此船舶甲板上需要預留較大的安裝空間，實際應用很少。

2.2 并聯油缸方式

并聯系統有兩個主動缸、一個被動缸，分布如圖2所示，被動缸2、主動缸1，3的活塞桿頂部與滑輪支架由柔性連接。位移提升由被動油缸2進行補償，系統的負載慣性和摩擦主要由兩側主動油缸負責補償。該系統減少了縱向安裝在船體上所占的空間，并且在運動過程中主動缸和被動缸之間的連接類似于差動連接，提高了響應速度。

2.3 普通油缸方式

普通油缸方案如圖3所示，采用了單缸的主要形式，代替了被動缸與主動缸，避免了多缸在空間上的配合；單缸的優點：結構緊湊，在船體上占用的安裝空間小，體積小，缸體數量少，系統簡單；只有一個缸，減小系統耗能，提高了機械效率。但是在無桿腔油口處，蓄能器與主動液壓系統協同完成補償動作實現難度較大。

2.4 復合油缸方式

如圖4所示的復合油缸設計方案，在保留了單液壓缸方案的優點基礎上，還能夠方便地實現由蓄能器來補償負載大部分的升沉位移，液壓泵只向復合缸的B腔、C腔供油，其能量用來抵消系統摩擦力和負載慣性，降低能耗；同時，復合缸的B腔與C腔截面相等，流量進出B腔與C腔的一致。復合油缸的空間結構相對復雜，設計制造增加了一定的難度，由于空間的復雜性，在制造上和維修成本上都會大大增加成本。

2.5 升沉補償裝置

本升沉補償裝置整體方案選為復合液壓缸式升沉補償系統。其中液壓缸作為執行件采用集成了主動缸與被動缸性能的復合缸形式，如圖5所示。

復合缸包括三個腔分別是A腔、B腔、C腔，A腔與蓄能器連接是通過a口，B腔與蓄能器連接是通過c口，C腔與蓄能器連接是通過c口。當復合缸只起被動缸的補償作用時，B腔就與C腔連接，即通過油管連接b口與c口。從圖中可以看出，B室和C室的油速相同。為了使B室在單位時間內排出的油量與進入C室的油量相同，必須使B室與C室具有相同的工作面積。

其工作原理如下：

1)當船舶靜止時，升沉補償系統不工作。

2)在平靜海面上工作時，可切換到被動升沉補償模式。此時，旁通閥10開始連通，方向閥7在中間位置工作。船舶上浮時，由于活塞的慣性作用下保持平衡，A室的液壓油將會被壓回到蓄能器，C室的容積減小，活塞桿縮回，液壓油將會被壓到B室，以補償負載上升的位移。當船舶下沉時，A室容積變大，蓄能器中的油被壓回A室，B室中的液壓油被壓回C室，補償下降的位移。

3)惡劣海況作業時，應切換模式。船舶上升時，活塞在慣性作用下將會趨于平衡位置，A室容積減小，液壓油將被壓回蓄能器中。控制器11使閥7在正確的位置工作，液壓油通過端口b壓入腔室B，補償負載的位移上升。當船體下降時，A室容積增大，蓄能器將液壓油壓入到A室，同時控制器11向左連接換向閥7，液壓油在變量泵的作用下進入C室。腔室B中的液壓油返回油箱通過b端口，驅動活塞桿向外伸出，以補償負載的向下移動。

升沉補償裝置參數確定及優化技術協議書中關于升沉補償裝置給出的具體設計參數如表1所示，先分析船舶升沉運動規律及補償運動規律，再根據設計方案及技術要求完成主要部件的計算。

表1 油缸式主動升沉補償系統設計要求

3 船體及補償運動分析

海浪的運動可近似寫為：

(1)

波浪的運動近似為正弦運動，表示為：

(2)

波浪運動頻率與船舶的升沉運動相同且振幅較小時：

(3)

不受船體運動的影響時，補償運動應滿足：

(4)

以上各式中，T為海浪周期；θ為初始相位角；H為海浪波高；μ為船的升沉位移與海浪波高之比。

4 復合油缸設計

與普通油缸的計算方法一致，其尺寸標記如圖6所示。

當工作載荷m=500 t，載荷Q=4 900 kN。

最大靜拉力為:

(5)

其中，mh為滑輪組倍率，本系統取m=1；ηz為滑輪組效率；ηD為導向滑輪效率。

液壓缸實際推力為:

(6)

其中，ηm為液壓缸機械效率。

平衡的方程：

(7)

內徑的計算：

(8)

其中,μg為液壓缸負載率；d為復合缸的內徑；η為液壓缸的總效率；p為系統的壓力。

復合缸體壁厚的影響：

(9)

其中，[σ]為缸底材料的許用應力；k0為缸體壁厚,m。將數據代入式(10)，得k0≥199.5 mm。

在升沉補償完全被動式系統模式下，B室與C室的流量與作用面積相同。

(10)

當p≥7 MPa時，d1/d0=0.7，代入式(8)，初選d0=770 mm，d1=540 mm。

復合油缸活塞桿為空心結構，因此桿壁的應力σ必須小于其材料的許用應力[σ]：

(11)

其中，k1為活塞桿壁厚,m；[σ]=σb/1.4，σb為材料的抗拉強度，當為無縫鋼管時，σb=100 MPa～110 MPa，此處取σb=100 MPa。解得，k1≥74.5 mm，取k1=75 mm。

設計中要求最大的升沉補償高度為±1.5 m，滑輪組為單倍率設計，根據式(6)可知，活塞桿補償距離為1.2 m，根據設計手冊GB 321—1980優先數和優先數列，取活塞行程l=1 250 mm。

長度L公式：

L>l+K+C

(12)

其中，l為活塞行程，m；L為缸體長度，m；活塞的厚度K=(0.6～1)d。

油口直徑滿足下面的公式:

(13)

代入數據計算得da=27.9 mm，圓整為da=30 mm。

缸底有油口的缸底厚度滿足下面的公式：

(14)

根據p=0.25[σ]，取[σ]=126 MPa。代入數據并圓整得，h=200 mm。

根據以上計算，復合油缸設計參數見表2。

表2 復合油缸相關參數

5 研究結論

在海上風、浪、流的作用下起重船將產生六個自由度方向的運動，在起吊作業中被吊物將一起運動，導致吊纜受力過大。本文的研究成果不僅為常規項目提供了技術支持，也為我國后續深水半潛式起重船吊機設計提供了參考。研究對比分析了四種油缸式的升沉補償方案，通過對項目給定的海況、船舶升沉運動規律、補償運動規律及液壓系統的綜合分析，提出了采用復合液壓缸式升沉補償系統的方案，并完成液壓系統原理及主要部件的設計計算，包括：系統壓力、系統流量、復合油缸、蓄能器等，給出了油缸、蓄能器及系統的主要設計方法及設計參數，為副起升500 t升沉補償功能的系統設計及進一步的元件選型奠定了基礎。