超万吨起重量门式起重机运行机构设计研究

中船第九设计研究院工程有限公司 上海 200090

0 引言

21世纪以来，世界各国纷纷加大了对海洋开发的力度，海洋工程的建设方兴未艾。随着人类对资源探索的重心逐步由陆地到海洋，再由浅海到深海，对海洋工程装备需求逐步增加，同时也提出了深水化，大型化，多功能化等更高要求。由于全世界对能源的需求日益增加，海洋已成为各国新世纪能源战略的重点；新技术在海洋工程上的应用，使得海洋能源的开采成本大大降低，海洋工程装备的市场越来越大。

中国具备显著的成本优势、拥有优良的海工建造基地，海工装备与船舶在设计制造环节具有较强的相似性，中国作为世界船舶制造中心将为海工装备制造提供良好的平台，随着国家加大对海工行业的政策支持，以及制造业的全球性转移，海工装备制造也将逐渐转向中国，我国海洋工程有望继续船舶制造振兴之路，未来几年将进入快速增长期。

随着市场需求的不断增加，在保证建造质量的前提下缩短建造周期成为众多海洋工程总装建造基地需要面对的问题，而影响建造周期最主要的环节则是平台分段的划分以及总装合拢技术方案的实施。

目前，国内外绝大部分海工平台制造商使用常规分段建造的方法建造海工平台，像半潜式平台建造，只能先建造下部浮体，再如同搭积木方式把几十到上百个模块安装到几十米高的下浮体上，组成上层模块，这期间需要使用从几百吨的移动起重机到几千吨的浮式起重机，一些巨大的模块必须采用多次的海上吊装，既增加建造风险，也影响设备建造周期。当小分段吊装到位，同时需进行分段合拢作业，施工高度在几十米高空，人员、材料和设备均上下不便，生产率低，作业质量相对难以保证。因此对半潜式平台提出上、下两总段式并联建造方式，即上部模块和下部浮体分别建造，从而降低建造过程中的施工高度，同时上部模块中各种设备的安装，管路电气的连接，附件的安装均可在吊装前完成，最后采用一次吊装完成，此方式大大减少海上吊装的次数，降低危险性。

当然此方式面临最大的问题是单体起重量增大，半潜式平台上部模块整体质量在2万t左右，而常规1 000 t～2 000 t起重量已无法满足，因此需要起重量超万吨的特大型起重设备。

目前国内起重量超万吨起重机有两台，文中称之A机和B机，其中A机为起重量1万t固定门式起重机，B机为起重量1.1万t门式起重机。

根据某厂的工艺需求，现研制的门式起重机最大起重量将达1.5万t，跨度165 m，最大起升高度100 m，作业场地内共布置两台同规格起重机，可以相互联动，联合作业时最大起重量3万t。为满足海工平台的安装工艺，起重机需要满载移动，这对起重机运行机构是巨大的考验。

1 同等规格门式起重机运行机构现状介绍及分析

1.1 A机运行机构概况

A机采用钢结构主梁布置于钢筋混凝土立柱上的构成形式，其中一根主梁与立柱间固定，而另一根主梁可沿垂直主梁轴线方向上水平移动，移动距离14 m。

主梁移动通过液压缸推动，见图1a和图1b。具体方式：在主梁与立柱间设置的铰支座上部和主梁固定，而下部底面固定一块聚四氟乙烯板与固定在立柱顶面上的滑移板接触，同时铰支座沿主梁方向的前后两侧与固定在立柱上的侧滑移板接触，则铰支座可以在由滑移板组成的槽形结构内移动。在大梁端部下方沿垂直于主梁轴线方向两侧各固定有滑移液压缸支座，滑移液压缸支座中间设有两套液压缸，两套液压缸中间设有锁紧装置，两套液压缸中间与其平行设有锁紧轨道。

移动采用步进式运动，即先松开锁紧装置，然后向移动方向侧收缩液压缸，到液压缸行程终点后，锁紧装置启动夹紧轨道，液压缸开始推进，从而带动主梁移动。通过多次动作循环，则可达到预设移动距离。

1.2 B机运行机构概况

B机主要结构主梁、刚性支腿和柔性支腿均采用桁架形式。

运行机构主要由支承装置（见图2）和驱动装置组成，刚性支腿侧和柔性支腿侧运行机构完全相同。每一支腿横梁下的运行支承装置由32个运行支承单元组成，每一个运行支承单元包含两台250 t滚轮小车、一个刚性联接梁和一个柱塞液压缸。每一支腿下的32个支承单元沿主梁轴线分成两个支承区域，每一个区域16个支承单元的柱塞液压缸的油口通过双管路防爆阀联在一起，通过单向调速阀与系统相连。刚、柔支腿横梁下的运行驱动机构各由3套运行驱动单元组成，3套驱动通过四个液压缸和支腿的下横梁相连，形成一个浮动悬挂系统。每套运行驱动单元由一个车架、一个小齿轮、一台行星减速器、两个支承轮组成。驱动采用齿轮齿条传动，齿条固定于轨道面上。

1.3 现有运行机构现状及特点分析

从两台机的运行机构对比来看，A机运行机构应称之为平移机构，其主要功能仅是满足吊点对位，移动行程较短，移动载荷也仅是设备自重。对于重载低速运行机构，采用步进式液压推进系统是一种有效的解决方案。

B机运行机构可满足长行程、经常性的作业要求，其特点为：1）采用液压缸作为承载单元支承整个起重机的重量，其优点是既充分平衡各个支承点的压力，又可弥补铰点式多级平衡梁结构重心较高的缺点，保证起重机的稳定。液压缸虽可以平衡起重机的载荷，但对于与之联接的钢结构设计也有很高的要求，上部传递的载荷力需均匀分布到具有一定刚性的底座上才能确保液压缸平衡作用。2）运行机构 通过滚轮小车和齿轮齿条驱动来移动整个起重机，滚轮车以近似均布载荷的形式满足地面承载要求。不过该机构也存在一些不足，主要体现在运行的同步性和导向性控制上，尤其是导向性，由于滚轮车有一定的宽度，多组串在一起移动时，与地面的滚动摩擦力不能同步克服，就会产生不同方向的分力，各组滚轮车将会产生朝不同方向偏斜的趋势，因此混凝土结构的基座强度必须要求满足能够约束偏斜并承受因此产生的挤压和摩擦。另外，常规上滚轮小车更适合用于临时性大件物体的搬运，使用过程中不易保养和维修。

2 新型运行机构设计方案

新型运行机构设计方案是以1.5万t门式起重机设计研究为背景，见图3。该起重机在满足海工产品建造工艺同时，还需具备满载、长行程移动的功能。

新型运行机构设计方案包含以下3大模块：1）支承系统 采用液压缸支撑形式；2）运行移动系统 采用双轨运行方式；3）驱动系统 采用步进式液压缸推进方式，见图4。

2.1 运行机构液压缸支承系统

2.1.1 运行机构液压缸支承系统方案

新型运行机构设计方案继续采用门式起重机四支点支承形式，即单侧轨道布置两个支点，每个支点下不是采用多级平衡梁系统来进行载荷的平均分布，而是采用单级大平衡下布置多套液压缸来完成同样功能。液压缸安装在大平衡梁下侧内部，通过伸出的活塞杆头部与运行台车连接，见图5。

液压缸安装在大平衡梁内部，首先可有效保证液压缸安装基座的刚度，减小顶升过程中的结构变形，其次可降低运行机构的安装高度，最后可将整套液压系统布置在平衡梁结构内部，避免液压管路系统意外损坏。

在单侧轨道采用两支点方式，因此整机支反力和稳定性计算模型可与常规门式起重机相同，而每个支点下液压系统控制原理简单明了，只要保证每台液压缸的顶升力一致。

2.1.2 液压顶升系统的原理

通过单级平衡梁底部液压缸顶升，完成起重机的支撑。在起重机运行过程中，液压回路将被切断，只有液压缸之间串通，顶升液压缸无杆腔连通的液压缸活塞杆均可进行升降动作。液压油会从油压高的液压缸流向油压低的液压缸，以此来达到整个分区的压力保持一致，从而保持相同的支撑力和快速补偿结构、轨道的变形。液压缸活塞上安装双作用单向阀，确保液压缸上升、下降至行程极限位置时，自动停止升降，从而保证了液压缸安全，整套系统性能安全可靠。

液压顶升系统工作原理主要包含以下4个方面：

1）液压缸上升、下降 起重机支腿上升通过三位四通换向阀来实现，单向节流阀起到调速作用，改变节流阀开口大小，控制进入液压缸的流量，进而控制起重机支腿上升速度。

2）中间保压 将支腿顶升液压缸提升到中间位置，然后换向阀回到中位，液压缸保压。此时，通过安装于两侧支腿横梁上的位移传感器检测，当两侧支腿横梁高度差超过设定值时，需要调整两侧液压缸伸出量。

3）保压运行 当起重机运行时，液压缸须处于中间保压位置，支腿液压缸串联形成均载床。当运行轨面不平时，轨道面凸出使液压缸缩进，缩进的液压缸中油液将分流至组内其余液压缸，而压力也将分摊。确保运行过程中，减少轨面不平对支腿横梁产生的冲击。

4）安全保护 每个区域中间位置液压缸设有位移传感器，当顶升液压缸提升整机时，顶升高度由此位移传感器反馈，4个区域的顶升高度差不得高于限定值，同时每台顶升液压缸油口均装有防爆阀，防止系统管路爆裂引起的安全隐患。

2.2 双轨运行移动系统

结合已有设备的使用经验，运行机构采用车轮加轨道的成熟模式，见图6。根据总体计算情况，每个支承液压缸最大支承载荷接近600 t，如在每个液压缸下对应布置一台双轮运行台车，则单轮轮压为300 t，对车轮设计以及轨道梁结构的设计都是不经济的。因此，提出采用双轨设计方案，将每个支承液压缸下对应布置一台四轮台车（见图7），将轮压控制在不超过150 t，两条轨道间距根据土建承载设置为1.5 m。

2.3 步进式液压缸推进系统

当支承液压缸将起重机顶升至设定高度后，顶升液压缸液压系统封闭，此时启动运行推进液压系统驱动推动液压缸，实现整机移动，见图8。起重机运行由液压推进液压缸和夹轨器配合实现。起重机运行采用步进式，即先松开夹轨器，然后向移动方向侧收缩推进液压缸，到液压缸行程终点后，夹轨器启动夹紧轨道，液压缸开始推进，从而带动起重机移动。通过多次动作循环，则可达到预设移动距离。

推进液压系统主要包含以下4个方面：

1）起重机前进后退动作控制 起重机运行通过三位四通比例换向阀来实现，比例换向阀同时起调速作用，改变通过比例电磁铁的电流，可按比例改变换向阀的开口度和通过流量，控制进入液压缸的流量，进而控制起重机运行速度。

2）起重机两侧支腿运行同步控制 推进液压缸配有位移传感器，对两侧支腿的位移进行实时监测，并对结果进行比较。对于运行速度较快一侧，减小通过比例电磁铁的电流，可减小比例换向阀开口，控制进入液压缸的流量，进而控制大车运行速度，使两侧支腿的位移保持同步。每侧支腿下方有两台推进液压缸，每台运行液压缸均配有位移传感器，其中一台位移传感器跟随另一台位移传感器，实现运行过程的同步。推进液压缸为步进式，通过步进次数和位移传感器读数，可计算大车运行距离。每次大车运行时，通过2台基准位移传感器数值，监控大车运行距离。

3）停车制动功能 当起重机需要停车时，所有比例换向阀缓慢切换到中位，使进入液压缸的油液不断减小，液压缸逐渐减速，最终使起重机制动。

4）安全保护功能 起重机两条支腿均设置停车限位开关，当到达轨道端点时可自动停车。

4 结束语

通过总结以往起重机运行机构的特点，为超万吨起重量的门式起重机运行机构提出一种切实可行的设计方案，并有效地优化运行机构的受力状态，对重型起重机装备的设计和建造打下坚实的基础。