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      KTJ系列合理、有效地減輕大型造船門式起重機整機自重的方法

      發布時間:2012-09-13 17:09閱讀次數:分類:技術工藝

      隨著我國船舶工業的快速發展,所建船舶的噸位也越來越大,各地船廠大多由船臺造船向船塢造船發展,船塢的主要配套設備——大型造船門式起重機的需求迅速增長。由于該類型起重機大多自重較大,一次性投資高。目前該設備的單臺建造費用有些已超過上億元,所以有效減輕整機的自重,對節省投資成本,降低建造費用,具有重要的意義。

      目前,大型造船門式起重機的結構形式主要有2種:雙梁門式起重機和單梁門式起重機。由于這2種門式起重機各有優缺點,到底是單梁好還是雙梁好,至今沒有定論,設計人員基本上是根據用戶的要求,但是無論是單梁還是雙梁,減輕整機自重的目標是一致的。

      1設計思路
      對于起重機的設計,設計人員要考慮2種載荷:有效載荷和無效載荷。所謂有效載荷就是l臺起重機所能提升的最大載荷,即起吊貨物的最大起重量;無效載荷就是1臺起重機的自重、風載荷等影響起重機基礎的載荷。有效載荷和無效載荷的疊加,構成了對起重機基礎的全部載荷。所以對新設計項目而言,設計思路就是在不降低起重機性能的前提下,如何最大限度的減少無效載荷減輕對基礎的壓力,從而降低基礎的投資。對舊設備改造而言,其設計思路就是在不增加輪壓的情況下,如何減輕自重、提高有效載荷。

      2種設計的目的,其實都是要在減輕整機自重上做文章。起重機的質量主要有2種:從形式上區分是結構質量和機構質量;從功能上區分是固定質量和移動質量。起重機的結構質量大約占整機自重的75%。所以合理地確定結構形式,選擇適當的結構參數,對于減輕結構自重,具有明顯的效果。上下小車是移動載荷,降低上下小車的質量,可以改善主梁的受力情況(對于新設計項目),或提高起重機的有效載荷(對于舊設備的改造)。大型造船門式起重機的主要結構分為主梁、剛性腿和柔性腿3大件,現就這3大件的結構選型及如何降低上下小車的自重逐項進行定性的分析。

      2減輕主梁自重的措施
      主梁是門式起重機的主要承載結構,大跨度門式起重機的主梁質量占到整機自重的50%~60%,所以合理的確定主梁的形式和結構參數,對減輕主梁的自重非常關鍵。確定主梁參數主要從以下幾個方面考慮:
      (1) 主梁的剛度主梁的剛度一般根據用戶的技術規格書的要求確定,如技術規格書沒有此項要求時,可根據起重機設計規范確定主梁剛度。主梁的剛度用額定載荷和小車自重在跨中引起的垂直靜撓度反映,根據我國廣大用戶的實際情況,其計算值為跨度的1/750~1/800較合適。

      (2) 主梁的高度適當增加主梁的高度,可有效減輕主梁的質量,但會增加主梁的迎風面積,當主梁高度過高時,還會喪失整體的協調。從現在的設計情況看,對于雙梁結構,主梁高度取跨度的1/14~1/18,大跨度(大于160m)時,其取值為跨度的1/16~1/18,小跨度時,其取值為跨度的1/14~1/16。對于單梁結構,可適當增加主梁的高度,以減輕主梁的質量,其取值為跨度的1/14左右為宜。如果主梁高度再增加,雖然可減輕主梁的質量,但外形喪失了整體美。該類起重機是船廠的標志性建筑,有時甚至是某一地區的標志,其造型的美觀與否,也應是設計人員考慮的因素之一。

      (3) 主梁寬度如果說主梁的高度因為受到外形條件的限制,那么主梁寬度的取值,將對主梁質量的影響具有決定的作用,增加主梁的寬度,可降低主梁的質量。而影響主梁寬度因素主要有2點:一是上小車2鉤的間距,二是下小車的軌距。對于船廠門式起重機,上小車的鉤距較小,這就限制了主梁的總寬度,所以研究方向就是如何減小下小車的軌距。對于雙梁結構,主梁寬度(上面板處腹板的中心距)取其高度(主梁的外形)的0.38~0.4倍較適宜。主梁太窄,其水平剛度太差,主梁太寬,將增加上小車的鉤距,給使用帶來不便。

      (4) 合理選擇板厚材料的合理分配,是設計人員所要考慮的因素之一。選擇材料的相關尺寸與上下面板相近,可以減輕主梁的質量。在確定板厚時,主要考慮2點:鋼板的強度隨著板厚的增加而降低;小車輪壓引起的腹板局部擠壓應力。根據目前常用的Q345板材,其主梁中間分段的上面板厚度取34mm或50mm為宜,這樣可以有效地利用不同板厚的強度等級,充分發揮材料的性能。下面板一般采用2塊板疊加使用,其中一塊板采用34mm厚度,另一塊板的厚度可根據需要在34~50mm之間選擇,這樣可以提高許用應力值。主梁腹板的選擇原則是2頭厚中間薄,最上面的腹板,考慮到小車輪壓的作用,厚度取值在l8—22arm為宜,以4mm的厚度向中間遞減,中間一塊腹板的厚度一般取10~12mm。

      (5) 等強度設計雖然等強度設計是每個設計人員所必須考慮的問題,但在該類門式起重機主梁的設計中顯得尤為重要。合理的選擇主梁的分段長度,不僅能大大地降低主梁的質量,而且可以使制造工藝簡便。根據鋼板的長度來確定主梁的分段長度,可以減少主梁的焊接量,提高結構件的制造質量,降低制造成本。

      (6) 合理利用材料從多年從事門式起重機設計的經驗來看,很多設計人員往往很難注意到這點。因為很多結構上的細節并非是可以根據公式進行計算的,而是要憑設計人員的經驗積累,憑設計人員對結構受力的準確判斷。主梁結構中的輔助材料約占主梁自重的20%~30%,減少輔助材料的用量,對減輕主梁的自重非常重要,而一般設計人員對此沒有引起足夠的重視。因此設計人員考慮的原則是:在過去成功的結構設計上做減法,而不是作加法;分析力的傳遞路線,所使用的每一塊材料,都要明確其使用目的,不起作用的材料堅決不用。

      3 減輕剛性腿重量的措施
      剛性腿是門式起重機3大結構件之一,其結構形式和自重對整機的影響也不可忽略。剛性腿的形式一般分為倒“T”形和“人”字形結構,2種形式各有優缺點。倒“T”形結構簡單,電梯和扶梯布置方便,并有寬敞的空問布置電氣房,目前這種形式的剛性腿使用較多,但自重略重;而“人”字形結構正好相反。從設計的角度考慮減輕質量的關鍵是控制剛性腿的外形尺寸。剛性腿的上部尺寸,以往的經驗一般取主梁高度的1.2倍。但對于這種大型造船用門式起重機,其機構控制均采用變頻調速,其起、制動的沖擊力的減少,改善了結構的受力情況。所以剛性腿的上部尺寸可以根據需要(主要考慮電氣房的空間需求)取主梁高度的0.8~1.0倍,應力的取值為許用應力的0.7~0.8倍。

      4 柔性腿的設計原則
      柔性腿是3大結構件中自重較輕的結構件,其自重對整機的影響較小,設計的原則主要是考慮柔性腿的細長比,根據經驗柔性腿的細長比取85~90為宜。柔性腿的設計主要在于結構細節上的處理。上部與柔性鉸連接處傳力路線設計的合理與否是柔J眭腿設計是否成功的關鍵。

      5 上下小車的減重措施
      作為移動載荷,上下小車的質量對于整機自重的影響非常大,小車質量的降低,主梁自重可以下降,將有效地降低整機的自重或提高起升能力。要降低上下小車的質量,應從機構的設計選型切人。設計應考慮的主要因素有:采用單卷筒取代雙卷筒;設計一種安全可靠、輕便靈巧的排繩機構;采用高性能的減速器;選用高強度鋼絲繩以減小鋼絲繩的直徑;合理的機構布局以得到小車車架的合理受力,減輕小車架的自重;設計合理的鋼絲繩穿繞系統。

      原起升機構的設計采用雙卷筒形式(圖1),該形式體積龐大,重量較重。改進設計將雙卷簡改為單卷筒,并重新設計了一套輕便靈巧的排繩機構,不但解決了長卷筒的鋼絲繩排繩問題,也大大降低了機構的自重;在吊鉤移動方面,從原來的機構整體移動改為移動定滑輪;選用硬齒面減速器取代中硬齒面減速器;調整布局,將小車上的機構向中間靠攏以平衡部分吊重力矩(圖2)。通過以上措施,以同樣起重量的小車比較,上小車由原來的400t(滬東廠600t門機)降低至300t(長興島基地600t門機),重量減輕了25%,下小車由原來的180t(滬東廠600t門機)降低至123t(長興島基地600t門機),重量減輕32%。


      圖1滬東廠600tX170m門機起升機機構

      6 行走機構的優化設計
      行走機構一般由行走臺車和若干組平衡梁組成,其優化的重點在主動臺車的設計。設計的出發點是充分利用現有的通用減速器特性,省略可。


      圖2長興島基地600tX187m門機起升機構

      以省去的零件,最大限度的減小車輪的間距,以達到減輕重量的目的。在為金海灣船業有限公司設計的900t門式起重機的行走機構中,采用了一種全新的臺車結構形式。采用法蘭連接形式的減速器取代套裝式減速器,省去了中間驅動軸,其主動臺車的重量由4052kg降低至3400kg,重量減輕約16%,26臺主動臺車共減輕重量約17t。

      圖3金海灣900tX201m門機主動臺車機構

      通過上述的各項措施的實施,有效的減輕了整機的自重,總體的設計性能達到了國際先進水平。當年滬東廠600tX170m門式起重機的設計重量為4900t,而為長興島造船基地設計的是600tX187m門式起重機,雖然跨度大了17m,但自重為4550t,折算比較減重約16%,節省投資約1500萬元。


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      TAG: 門式起重機
      作者:門式起重[email protected]門式起重機最后修改時間:(2012-09-13 17:09)

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