大型港口固定式桅杆起重机设计研究

刘 彬，杨 厦，李鹏举

（1.山东丰汇设备技术有限公司，山东 济南 250100；2.中国能源建设集团投资有限公司，北京 100020）

随着港口设备业务的不断拓展，海上发电设备、海底隧道沉管、桥梁基座沉箱等重件货物的搬运在大型工程建设中越来越重要，重件码头1 000t 以上的大件装卸作业陆续出现。如何建造超大构件装卸作业的专用桅杆起重机是重件码头设计的关键。根据构造类型不同，固定式桅杆起重机分为缆绳式、摇臂式、人字架和单立柱等[1-3]，为顺应市场需求，本文以1 200t 港口固定式人字架桅杆起重机（以下简称起重机）为例，介绍大型港口固定式桅杆起重机总体设计方案和基本参数，并阐述了结构部件的构造及其创新点。

1 起重机总体设计方案

起重机主体由底梁、臂架、人字架、变幅定滑轮组和变幅动滑轮组等组成，如图1 所示。底梁包括底梁前支座和后支座，底梁后支座采用地脚螺栓群与预埋基础连接；人字架包括前撑杆和后拉杆；臂架采用双主臂加副臂方案。整机设计为拆分结构，满足陆路运输条件，更大程度上增加了转运的便利性。

图1 起重机总体设计方案

底梁固定在码头前沿，人字架和臂架的下端固定在底梁上部，变幅定滑轮组安装在人字架上端，变幅动滑轮组安装在臂架头部，通过变幅钢丝绳的收放带动变幅动滑轮组和臂架动作，实现臂架的俯仰变幅。

2 起重机基本参数

起重机配置有主钩、副钩和索具钩，其基本参数如表1 所示。基于此基本参数，开展起重机的各结构和机构的设计。

表1 起重机基本参数

3 结构设计

3.1 臂架

主臂采用双臂管桁结构，由2 个单臂、头部横梁、根部横梁和中部连梁组成，上端窄下端宽，单臂和连梁均为圆管结构，头部横梁和根部横梁为箱形结构[4-5]，主臂结构如图2 所示。

图2 主臂结构

不同于浮式起重机和履带起重机的臂架，桅杆起重机的臂架需要满足大偏摆角度下的承载和拆分设计要求。臂架弦杆采用相同材质、相同规格的圆管，臂架设计的难点是在偏摆载荷作用下，连梁附近的弦杆承载超限，需要通过调整连梁处杆系的布置使弦杆减载。

桅杆起重机需要在最大幅度工况下起吊最大的额定起重量，起升钢丝绳的偏摆角度通常会超过1.5°，这是导致臂架连梁处的弦杆承载超限的主要原因。

浮式起重机的臂架为焊接一体结构，不需要拆分设计，臂架杆系布置不受拆装和运输的限制，在较大的偏摆载荷作用下臂架出现局部杆件承载超限时，可以通过增加杆件进行补强，这种直接焊接方式不用考虑拆解问题。履带起重机的臂架为拆分结构，最大额定起重量的工况一般为短臂工况或小幅度工况，且偏摆角度限制在1.5°以内，在偏摆载荷作用下，连梁处的弦杆能够较好地满足设计要求。

为了减轻自重，提高起重机的起重性能，起重臂采用500MPa 级以上的高强度结构钢，部分结构采用700MPa 级别的钢材，较常规设计减轻自重约26%。整体管桁架结构的设计，风载荷较其它桁架结构降低约30%，更适合于沿海高风的作业环境。

3.2 人字架结构

人字架前撑杆和后拉杆为箱形结构，采用上端窄下端宽结构，并在宽窄转折处设置支撑，上端窄主要是考虑人字架头部与起重臂头部滑轮组的适应性，下端宽主要是对应起重臂根部，使前后作用力在一个平面内，增大整体的稳定性。后拉杆在变幅平面内为上下直拉结构，后拉杆下端无水平载荷，防后倾装置为圆管结构，四点承载，人字架结构如图3 所示，受力如图4 所示。

图3 人字架结构

图4 人字架受力简图

该起重机对人字架设计进行了优化，将人字架的上铰点高度提高，当起升载荷F1一定时，在减小变幅力Fs的同时，也减小了臂架轴力Fb，两者减少约25%，使变幅机构和臂架的设计更加轻量化。在保持钢丝绳绕入卷筒的角度不变的情况下，人字架高度提高后，卷筒可以加长，进而减少卷绕层数，降低缠绕扭矩。在满足性能与受力要求的前提下，节约选型成本。

3.3 底梁

底梁前支座铰点采用多剪切面结构，保证承弯、承剪和承压等强设计。前、后支座在工厂内整体加工，提高了整机装配精度：底梁前支座对地面平均压强小，约为160t/m2。底梁后支座采用矩阵式承拉预埋及其均载结构（专利技术），多级梁分散载荷，将4 500t 后拉力转化为百吨以下的地脚螺栓拉力，保证了各地脚螺栓承拉能力接近相等，底梁后支座结构如图5 所示。

图5 底梁后支座结构

人字架后拉杆载荷依次通过一级平衡梁、二级平衡梁和三级平衡梁传递给地脚螺栓。采用平面多级分载梁结构，后支座由2 铰点分解为多点，将铰点的集中力进行分散，减小了单点的受力大小。共预埋螺栓80 套，单套螺栓最大拉力小于90t，有利于减小码头预埋基础的成本，方便后期转场安装。

3.4 节点拆分

为便于运输和安拆，结构部件进行拆分设计，结构构件的节点有刚接点和铰接点。臂架的刚接点为凹凸台法兰+螺栓群连接，定位准确，承载力大。人字架前撑杆的刚接点为矩形法兰+螺栓群连接，轴拉力较小；人字架的连梁与前撑杆、连梁与后拉杆的连接均采用矩形法兰+螺栓群的连接方式；人字架后拉杆为受拉构件，选用薄板结构，后拉杆中段为四翼缘双腹板箱形构件（专利技术），后拉杆的刚接点为四销轴八耳板连接，能承载较大轴拉力。刚接点形式如图6 所示。

图6 刚接点形式

主臂根部与底梁前支座的铰接点、人字架前撑杆下部与底梁前支座的铰接点，设计在一个支座上，有效平衡前后受力，使基础实现“0”水平力，如图7（a)。人字架后拉杆下部与底梁后支座的铰接点、人字架前撑杆上部和人字架后拉杆上部为销轴连接，均采用单销轴多剪切面设计，增大销轴的承载力，如图7（b)所示。

图7 支座铰接点

4 机构设计

4.1 起升绕绳方式

1）主起升机构 采用双卷筒双联构造，主起升滑轮组为8 倍率缠绕，双吊点布置，并可单吊点使用。

2）副起升机构 采用单卷筒双联构造，副起升滑轮组为6倍率缠绕。起升绕绳方式如图8所示。

图8 起升绕绳方式示意图

4.2 变幅绕绳方式

变幅机构的绕绳采用双排双绳平行缠绕方式，单侧采用双排滑轮组，在滑轮组末端设置平衡滑轮，平衡滑轮将两侧滑轮组连接[6-7]。变幅绕绳方式如图9 所示。变幅动滑轮组通过高强度变幅拉板与主臂头部连接，减少了变幅绳长度。

图9 变幅绕绳方式示意图

4.3 卷扬机和控制系统布置

主起升卷扬机、变幅卷扬机、电气房和高压变电站布置在底梁前支座和后支座之间，副起升卷扬机布置在底梁后支座上部，索具钩卷扬机布置在底梁前支座上部，如图10 所示。

图10 卷扬机和控制系统布置

5 结语

大型固定桅杆式起重机适用于大型设备的港口装卸，具有构造简洁，安拆便捷，抗风能力强，自重轻，安全可靠，拓展性好等优点。

本文所研究的起重臂轻量化，人字架优化及其矩阵式承拉预埋及其均载结构等内容，较常规设计对整机性能和经济性方面都有了较大提升。