船用起重机臂架防后倾支架设计

曾祥有

（豪氏威马（中国）有限公司，福建 漳州 363122）

为了使动臂起重机达到尽可能小的起重半径，通常把动臂的最大工作角度设计成尽可能的小，比如大于85度，接近90度。这就使臂架在多种条件下存在后翻的可能性。动臂起重机柔性的变幅钢丝绳，无法支撑臂架的后翻，因此，需要设计额外的刚性支架，用于支撑臂架。这一问题，在船用起重机中尤为突出。船用起重机所安装的船体，在海浪的作用下，可能产生各个方向的运动，容易使得臂架产生往后倾覆。

2020年5月，在德国罗斯托克码头，一台正在测试的5000吨风电安装起重机，在进行负载测试时，吊钩发生断裂，起重机突然失去载荷，引发船体发生了大角度倾斜，带动臂架后翻，直至撞击在人字架顶部横梁折断。这一重大事故，造成了起重本身的严重毁坏，船体也严重受损，预计损失超过1亿欧元。

从监控视频可以看到，在人字架的中部设有防后倾支架，但在臂架后翻时，未起到支撑作用。继而臂架继续后翻，直到和人字架顶部碰撞，臂架拦腰折断。尽管此次事故的根本原因在于吊钩的断裂，但试想一下，假如在臂架和防后倾支架产生接触的初始状态下，支架强度足够，便可阻止臂架加速后翻，避免造成后续的重大事故，从而减小事故造成的损失。

防后倾支架的设计载荷属于一种特殊载荷，在设计中容易被忽视，有必要给予更多重视。

1 后倾发生的原因与计算方法

以图1所示风电安装起重机为例，阐述臂架发生后倾的可能存在的多种原因，及其对应的载荷计算方法。

1．1 限位开关、过载保护装置失效

在动臂起重机中，通常设置有臂架角度传感器，用来监测臂架角度，可设置最高角度限位。类似的，可在俯仰绞车卷筒设置钢丝绳长传感器，同样可以根据绳长推算出臂架角度，对其设置臂架角度限位。同时，在俯仰滑轮组内同时也配置了测重销，可以监测钢丝绳的拉力，以此判断俯仰力是否超载。最后，在防后倾支架上也安装了接近开关，在臂架抬升到相应的角度时，臂架起升会做出减速、停止等动作，起到保护作用。

假设所有的传感器同时失效，在臂架抬升到最高角度后，臂架和防后倾支架产生接触，俯仰绞车继续工作，持续拉升臂架。此时，可使用变幅绞车可产生最大的扭矩作为输入条件，计算支架上的载荷。当臂架长度较短时，用此方法的所得到支架载荷并不大。但当臂架长度较长时，变幅钢丝绳对应的力臂较长，计算得到防后倾支架上的作用力将很大。如图2所示。假设变幅绞车能产生最大的扭矩为T，绞车半径为R，钢丝绳最大拉力为T/R，钢丝绳组的倍率为n，因此，可得变幅钢丝绳上的最大拉力为n·T/R。其对应的力臂为L1，防后倾支架作用力相对于臂架铰点的力臂为L2，可计算得到支架上的作用力为n·T/R·L1/L2。

图1 风电起重机的组成

图2 起重机传感器分布图

1．2 起吊重物突然卸载

考虑到意外事故或者操作失误的因素，有可能发生重物的突然卸载。在载荷的作用下，臂架俯仰钢丝绳将被拉长，当重物突然卸载时，伸长的变幅钢丝在在短时间内仍将产生拉力，作用于臂架上。特别是起重机工作于最小工作半径时，臂架处在最高角度，臂架与防后倾支架的距离很小。载荷突然卸载，伸长的变幅钢丝绳欲恢复原长度，将产生较大的回弹力，作用在臂架上，直至臂架顶在防后倾支架上。此种情况下，变幅钢丝绳的作用将引起臂架的弯曲变形，因此，可将变幅钢丝绳和臂架结构视为由两个弹簧串联组成的系统，根据变形条件，计算载荷突然卸载条件下，变幅系统的内力，在此基础上，根据几何关系，可计算作用于防后倾支架上的力。计算简图如图3。

图3 计算简图

起重机在最高工作角度时，在人字架顶部和臂架头部之间的变幅钢丝绳长度为L，钢丝绳弹性模量为E，多根钢丝绳横截面积之和为A。在重物突然卸载前，变幅钢丝绳受到的拉力为Fp，产生伸长量为l1。

臂架在俯仰钢丝绳反弹力的作用下，将产生弯曲变形。可以将其视为以臂架转动中心为铰点，以防后倾支架为支撑点的外伸梁。

重新平衡后，假设此时钢丝绳的内力为，重新计算钢丝绳的新伸长量，臂架的弯曲挠度为，钢丝绳的刚度为k1，臂架在悬臂梁条件下，弯曲变形刚度为k2。臂架弯曲挠度在钢丝绳方向上的投影形变与钢丝绳的新伸长量之和，等于钢丝绳原伸长量，根据此等式可计算得到新的钢丝绳内力。

同理，根据力矩平衡条件，可计算支架上的作用力。

1．3 船体的运动造成臂架后倾

在吊钩突然卸载情况下，考虑船体将产生相应的运动，一般船体的运动包含三种运动形式，即横摇运动、纵摇运动和垂向运动。其中，横摇运动对船体影响最大，假设一定的横摇角度，根据船型，即可求得横摇加速度。横摇加速度作用在臂架重心上，臂架将发生后倾，作用与支架上，可求得支架上的作用力。还有一类船用起重机，没有配备额外的臂架支撑架，在航行过程中，臂架被抬升到最高角度，和防后倾支架接触，俯仰钢丝绳保持一定的张紧力。在船体航行中，在海浪的作用下，臂架将承受相应的船体横摇加速度，加速度将作用在臂架的重心位置。把臂架视为外伸梁，在钢丝绳的张紧力和加速度引起的横向力的综合作用下，可求得防后倾支架上的支反力。

1．4 船级社规范设计要求

对与防后倾支架的设计载荷的确定，在船级社规范里并未太多提及，在各种规范要求中，未对具体载荷的计算做明确规定，如中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》中，对于第四类载荷（起重机承受特殊载荷），这些载荷中的第二类，起升钢索破断或带平衡重的起重机平衡重突然跌落。在劳氏规范中提及，用20%安全工作载荷竖直向上，据此可计算出支架上的载荷，据此验算相应的结构。

2 结语

计算得到防后倾支架上的最大作用力后，可综合考虑，把和支架直接相连的臂架、人字架等结构设计成同等强度，由此可保证整台起重机在该工况下安全。值得一提的是，起重机类型不同，臂架长度不同，按不同方法计算得到的支架作用力也差别很大。如用于风电安装的绕桩式起重机，由于臂架通常较长，俯仰钢丝绳作用线的力臂较长，防后倾支架离臂架链点的位置又较近，俯仰钢丝绳上的力会被放大多倍，在支架上得到很大的载荷，如按此载荷去设计臂架、人字架等结构，势必造成材料的浪费。如重件运输船上安装的重型桅杆式起重机，臂架长度较小，按以上各种方法计算得到的支架上的作用力并不。因此，有必要根据具体情况，选择合适的设计计算方法，合理设计防后倾支架系统。