桅杆式起重机及其回转关键技术研究

2020-04-10

港口装卸 2020年1期

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

海洋工程的发展不仅代表各国海洋资源上的利益，更被提升到国家战略的高度，发展海洋工程事业已经成为国际性大趋势和各沿海国家的战略抉择。在新能源方面，海洋风电的迅速崛起也为海洋装备市场提供了充足的动力。

海上起重设备中A架型起重机数量最多，其具有可回转、可摆动的悬伸臂架，大多配置起升、回转、变幅等机构[1]。回转轴承作为全回转起重机最重要的关键部件之一，其强度、刚度直接影响起重机的安全性、可靠性。起重机在起吊重物时，吊载所产生的巨大倾覆力矩作用在回转轴承上，在水平力和弯矩的作用严重影响回转轴承使用寿命，而且由于回转轴承所处位置位于起重船甲板平台的中央区域，一旦损坏更换不易，更换成本也很高。本文所述桅杆式起重机由于其设计特点，回转轴承所受倾覆力矩大大减小，且轴承直径与常规浮式起重机相比大大缩小，使得整机结构紧凑，可有效提高船体或平台利用率。

2 桅杆式起重机形式及工作原理

桅杆式起重机以垂直桅杆为承载构件，具有回转空间小、结构紧凑、起重能力大等特点，是海上起重设备中的新产品。与其他类型的起重机相比，桅杆式起重机仅占据有限的船舶或平台空间。鉴于桅杆式起重机独特的结构优势，越来越多的国内外客户开始选择桅杆式起重机。上海振华重工在2014年成功研发出国内首台500 t桅杆式起重机，填补了国内技术空白[2]。2018年，上海振华重工又自主研发、设计、制造了1 600 t桅杆式起重机。国内对于新型海上桅杆式起重机的研发刚刚起步，还需要吸收先进的设计理念，提高自主设计制造能力。

桅杆式起重机由吊臂、固定桅杆、转台、绞车机构、回转轴承、顶部回转装置、电控系统等组成(见图1)。从桅杆式起重机结构形式可以看出，起重机在起吊重物时，无论臂架处于哪种角度，变幅钢丝绳轴向拉力中心线在顶部回转轴承附近，臂架轴向压力中心线在回转轴承附近或穿过回转轴承，因此只有很小的力臂，自然产生的倾覆力矩很小。与常规A架型起重机不同，桅杆式起重机起吊货物所产生的倾覆力矩主要由固定桅杆承受，其优点为：固定桅杆承受倾覆力矩的能力大大优于回转轴承，可以使回转轴承设计直径大幅缩小，整机结构紧凑；取消了A架型起重机分担回转轴承压力的配重箱，可减轻整机重量；整机对于船体甲板空间要求小，便于船体布置，可提高甲板利用率。

由图1可看出，由于固定桅杆承受倾覆力矩能力大大优于回转轴承，不仅可以减小整机回转部分直径，还能适度提高整机重心，这样在相同船外幅度下可以获得更大的起升高度。主要绞车设备都布置在起重机内部空间，与海洋环境隔离，极大减少了维护工作量。

1.起升钢丝绳 2.顶部回转装置 3.固定桅杆 4.转台 5.回转轴承 6.基座 7.绞车机构 8.变幅钢丝绳 9.吊臂 10.搁座图1 海上桅杆式起重机

3 桅杆式起重机回转关键技术

转台处回转轴承与常规A架型起重机相同，但因不承担倾覆力矩，可以选择直径较小的型号。起重机回转时，回转机构驱动转台和臂架旋转，其绕桅杆做回转运动。桅杆顶部回转装置不安装驱动机构，其回转动作由吊机变幅钢丝绳带动。本文重点介绍桅杆顶部回转装置，这也是桅杆式起重机关键回转部件。

顶部回转装置由回转轴承和钢丝绳分绳器组成。由于桅杆顶部回转装置为从动件，滑轮位置布置变得尤为重要，如位置布置不当则会发生顶部回转装置与臂架回转不同步的情况，从而引发变幅钢丝绳从滑轮出槽的事故。如图2所示，桅杆顶部回转装置由4个主要部分组成，起重机变幅力通过分绳器和回转轴承向固定桅杆传递。整个顶部组件不设置动力源，回转动作由变幅绳牵引完成。分绳器设置变幅钢丝绳换向支架和起升钢丝绳换向支架，用于安装相应改向滑轮组。变幅钢丝绳和起升钢丝绳从结构内部绞车卷筒经分绳器的改向滑轮(组)，传递至臂架相应位置，完成钢丝绳缠绕系统，达到分绳的目的。分绳器的设置可以让绞车机构布置于结构内部，与外界海洋环境隔离，减少盐雾腐蚀，降低维护工作量。

1.变幅滑轮组 2.钢丝绳分绳器 3.顶部回转轴承 4.吊机桅杆图2 桅杆顶部回转装置

4 回转分绳器设计计算

由于顶部回转装置无驱动机构，其动力来源于臂架头部变幅钢丝绳牵引拖拽，要使其顺利转动需克服自身摩擦阻力，必须合理计算确定变幅滑轮组位置。如图3所示，吊机变幅钢丝绳受力为F，变幅钢丝绳与水平面夹角为α，变幅滑轮组距离吊机回转中心距离为L，上部回转轴承滚道直径为D。将变幅钢丝绳力进行水平和竖直方向分解得到水平分力Fh和竖直分力Fv：

Fh=Fcosα

(1)

Fv=Fsinα

(2)

顶部滑轮组旋转所受到的阻力矩T为：

(3)

式中，ω为回转轴承摩擦因数，取ω=0.015。