2 000 t風電安裝起重機吊臂的擱置裝置設計

鄒韜　陳懿　王良偉

摘? ? 要：本文2000t風電安裝起重機吊臂的擱置裝置，安裝在大型深水多功能風電平臺上，用于海上風電安裝重型起重機非工作時吊臂擱置時使用。該裝置能克服大型深水多功能風電平臺在拖航過程中吊臂對擱置產生相對運動的影響，保證拖航過程中風電安裝起重機的安全。論述了一種海上風電安裝重型起重機吊臂的擱置裝置設計及受力分析。

關鍵詞：海上重型起重機吊臂擱置裝置;滾輪式;自動位移補償

中圖分類號：TE52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Design of Shelving Device for 2 000 t Wind Power Installation Crane Jib

ZOU Tao， CHEN Yi， WANG Liangwei

（ South China Marine Machinery Guangzhou Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： The shelving device for 2 000 t wind power installation heavy crane jib is designed. The device is installed on a large deep-water multifunctional wind power platform， used for the shelving of offshore wind power installation heavy crane jib when it is not working. The device can overcome the influence of the crane jib on the relative motion of large deepwater multifunctional wind power platform during towing， and ensure the safety of the heavy crane during towing. In this paper， the design and force analysis of a heavy crane jib shelving device for offshore wind power installation are discussed.

Key words： Offshore heavy crane jib holding device; Roller; Automatic displacement compensation

1? ? ?前言

海上風電相對于陸地發電有很多優勢。海上風力機可以減少對陸地土地資源的占用，而且海上具有適合大型風電工程的大片連續空間，非常適合大型風電場的建立;海上風電可以降低對風力機運行環境的要求，不必擔心電磁波、噪聲等對居民的影響和風力機對居民視覺上的污染;海上風力發電技術可以充分利用海洋開采石油天然氣過程中積累的經驗，減少技術研發成本。

海上風電是未來清潔能源新方向，目前全球風電場建設已從陸地轉向海洋。《中國風電發展路線圖2050》已對我國風能資源開發進行了規劃，國家《可再生能源法》把風電發展納入了法制框架，我國海洋發展戰略已明確將海上風電發展列為重點。

隨著我國海上風電場的水深迅速提高到30 m以上，導管架將變成基礎結構類型的主流選擇。導管架的重量與海底地質條件、機組型號、水深、離岸距離、風、浪、流等條件有關，與機組功率和水深的關系尤其密切，新一代的風電安裝平臺的起重能力需達到2 000 t左右。隨著風電場規劃向更深海域推進，風場水深增加和風力發電機的裝機容量加大，對海上風電安裝重型起重設備提出了起吊能力更大、起吊高度更高和抗風能力更強的要求。目前風電安裝船的繞樁式起重機最大起重能力為1 200 t已無法滿足未來海上風電發展的需求。

2? ? 常規的船用起重機吊臂的擱置裝置

船用起重機設計時，需要考慮以下四種工作狀態：（1）工作中船外起升;（2）工作中船上起升;（3）不工作時吊臂不收車;（4）不工作時吊臂收車。

設計時，考慮起重機工作中船外起升和工作中船上起升兩種工作狀態，主要是保證起重機在起吊作業中的安全和起重機自身的結構安全;對于起重機不工作時吊臂不收車狀態，主要是保證起重機自身的安全;對于起重機不工作時吊臂收車狀態，主要是保證在拖航過程中和長時間擱置時起重機的自身安全。

現有船用起重機在非工作狀態時，往往把起重機吊臂放倒在擱置裝置上，使起重機變幅系統處于一個放松狀態，更好地保護起重機變幅系統和起重機自身，延長起重機的使用壽命。

與陸地起重機不同，船用起重機在拖航過程中，起重機吊臂除了承擔吊臂自身的重力負荷外，還要承擔船舶航行中船體顛簸搖晃產生的沖擊載荷和交變載荷，往往需要承擔相當于工作狀態時甚至更重的負荷。如果船用起重機吊臂保護不好，或者吊臂不放在吊臂擱置裝置上，不僅容易損壞起重機的回轉系統，特別是回轉減速、回轉減速箱輸出小齒輪和用于起重機做回轉運動的回轉支承大齒等運動部件容易損壞，也容易損壞起重機變幅系統，若變幅鋼絲繩長期處于交變受力狀態，會降低變幅鋼絲繩的使用壽命。

傳統的船用起重機起吊能力小、吊臂重量輕，在拖航時受到船體顛簸搖晃產生的沖擊載荷和交變載荷影響也較小。常規起重機的擱置裝置都是由1吊臂擱置塊、2枕木、3擱置架組成，如圖1所示。吊臂擱置塊焊接在吊臂上，用于保護吊臂主體結構在擱置時不被損壞;起重機擱置時，枕木在吊臂與擱置架之間起減震作用;擱置架用于支撐起重機吊臂自重和抵消船體顛簸搖晃產生的沖擊載荷和交變載荷。

傳統吊臂擱置裝置的優點是設計簡單、制造成本和維護成本低;缺點是吊臂擱置裝置的枕木容易損壞，需要經常更換枕木，維護麻煩。因此，需要設計一種新的海上風電安裝重型起重機吊臂的擱置裝置，來滿足重型起重機得結構安全。

3? ? 2 000 t風電安裝起重機吊臂擱置裝置

隨著海上風電產業的迅速發展，對海上大型風電安裝起重機產品的需求不斷增加。船用起重機的起吊能力不斷增加，起重機吊臂重量也不斷增加：船用30 t起重機吊臂重量約15 t，1 200 t風電安裝起重機吊臂重量約450 t，2 000 t風電安裝起重機吊臂重量約800 t。隨著海上作業環境變化，起重船和風電安裝平臺隨著海浪運動，起重機吊臂與擱置裝置會產生相對運動，在吊臂擱置裝置處會因相對運動產生異響，特別是在風電安裝平臺拖航過程中尤為明顯，如圖2所示。

常規船用起重機的擱置架裝置越來越不適合重型起重機吊臂的擱置使用要求，急需設計一種新型的重型風電安裝起重機吊臂擱置架裝置。利用滾輪受到外力作用自動轉動、自動補償起重機吊臂與擱置裝置相對位移的原理，設計2 000 t風電安裝重型起重機帶滾動輪的新型起重機吊臂擱置架裝置。滾輪采用鋼質滾輪、雙排多滾輪設計，增加滾輪與吊臂有效接觸面積和數量，降低滾輪的直徑和應力。這種新型吊臂擱置架裝置有效解決了枕木強度不夠和需要經常更換枕木的問題，同時也有效解決了起重機吊臂與擱置裝置會產生相對運動產生異響的問題。這種帶滾動輪的新型起重機吊臂擱置裝置，由吊臂擱置塊、枕木、滾輪裝置和擱置架組成，如圖3和圖4所示。

3.1? ?受力計算

在校核這種帶滾動輪的新型起重機吊臂擱置裝置強度時，需要考慮船舶航行中船體顛簸搖晃產生的沖擊載荷和交變載荷。起重機吊臂擱置架受到船體施加的垂直于甲板的加速度、前后方向平行于甲板的加速度、靜橫傾和風速。按照中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范》中3.2.11對船舶運動載荷規定，垂直于甲板的加速度、前后方向平行于甲板的加速度、靜橫傾和風速等參數規定如下：

（1）垂直于甲板的加速度±1.0 g;

（2）前后方向平行于甲板的加速度±0.5 g;

（3）橫向平行于甲板的加速度為±0.5 g;

（4）靜橫傾30°;

（5）風速55 m/s。

3.2? ?風載荷計算

作用在起重機結構上或單個構件上的風載荷，按下式計算：

PW = C·q·A = C·1 854·A （N）? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：q— 風壓，q = 0.613;

C— 部件形狀風力系數，C=0.8;

V— 工作時風速，V =55 m/s;

A —物品迎風面積（m2）;

3.3? ?擱置架受力計算

重型起重機吊臂擱置架在船舶航行過程中受到船體顛簸搖晃產生的沖擊載荷和交變載荷，其中以船體施加的垂直于甲板的加速度和橫向平行于甲板的加速度影響最大，重型起重機吊臂擱置架受力分析如圖5所示。

垂直力： Fy =G×9.8 × （1+Av） × Lg / L （kN）? ? ?（2）

側向力： Fx=（Pw1+G×9.8×sinα+G×9.8×Bv） Lg/L （kN）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：G— 為吊臂重量，t

AV— 垂直于甲板的加速度為AV = 1.0 g;

BV— 橫向平行于甲板的加速度為BV = 0.5 g;

α— 靜橫傾α=30°;

Lg— 吊臂重心到吊臂根部連接銷軸中心的距離;

L— 擱置中心到吊臂根部連接銷軸中心的距離。

圖5? 吊臂擱置時受力

3.4? ?強度校核

分析帶滾動輪的新型起重機吊臂擱置裝置的最大變形以及該裝置主體結構的等效應力。利用Creo4.0三維軟件建立三維模型（如圖6所示），用ANSYS軟件中的Workbench模塊對吊臂擱置裝置的三維模型進行網格劃分、施加載荷約束和邊界條件，在吊臂擱置架滾輪處進行靜力分析、計算，通過分析得到應力分布云圖、總變形量。

3.4.1 結構材料

主要結構采用DH36，材料彈性模量為2.06e5Mpa、泊松比為0.28、密度為7.85 t/㎡、屈服強度為355 Mpa。

3.4.2 邊界條件

根據實際情況，對擱置架底座四根主管底部進行約束。

3.4.3 網格劃分

劃分網格時，考慮到吊臂擱置裝置的主體擱置架是焊接成型，首先采用Sweep進行網格劃分，不能用Sweep劃分網格的用自由網格進行網格劃分。在保證不影響分析結構的前提下，網格尺寸選擇0.2 m，共有107926個節點、20 007分單元。吊臂擱置ANSYS網格劃分如圖7所示。

3.4.4 加載

在擱置狀態吊臂對擱置架施加的最大垂直力和側向力，分別作用在吊臂擱置裝置上的滾輪上。

3.4.5 分析和求解

用ANSYSWorkbench模塊對吊臂擱置裝置的等效應力進行求解，受力加載和約束如圖8所示，結果如圖9和圖10所示。

從應力云圖看，吊臂擱置裝置絕大部分區域應力在許用應力范圍內，在三板相交角隅位置超出許用應力，考慮到模型簡化及計算軟件處理模型邊角、尖角位置的誤差，認為結果中出現局部應力尖點現象可以接受，吊臂擱置裝置的強度滿足使用要求。

4? ? ?結論

文中論述了一種新海上風電安裝重型起重機吊臂的擱置裝置設計，利用Creo4.0三維軟件建立三維模型和用ANSYSWorkbench模塊對吊臂擱置裝置進行等效應力分析。

對比常規船用起重機的吊臂擱置架，帶滾輪結構的吊臂擱置架裝置更適應于重型起重機的吊臂擱置架，有效解決了因船舶航行中船體顛簸搖晃產生的沖擊載荷和交變載荷產生的異響，同時不用經常更換枕木，采用鋼質滾輪更經久耐用，維護方便且節約成本。由于滾輪不能承受側向力，因此在拖航過程中需要在吊臂兩則與擱置架擋板之間用枕木來固定吊臂，減少滾輪受側向力影響。海上風電安裝帶滾動輪的新型起重機吊臂擱置裝置設計，為后續吊臂擱置裝置設計提供另一種選擇。

參考文獻

[1]中國船級社.船舶與海上設施起重設備規范[S].北京：人民交通出版

社.2008.

[2] GB中華人民共和國國家標準.GB/T3811-2008起重機設計規范[S].中

國標準出版社.2008.