大型抓斗挖泥船起升机构的布置方案对比

魏富龙，马晓晶

(上海振华重工(集团)股份有限公司, 上海 200125)

大型抓斗挖泥船起升机构的布置方案对比

魏富龙，马晓晶

(上海振华重工(集团)股份有限公司, 上海 200125)

大型抓斗挖泥船起升机构具有起重载荷大、起升速度快、冲击大等特性，设计时通常会遇到需要开发超大型非标设备的问题，并且需要考虑如何减小机构尺寸的问题。通过对比3种布置方案，选出1种合理的方案，在不降低起升机构使用性能的前提下，达到减小机构平面尺寸、减少非标设备数量、缩小船体尺寸、提高整船经济效益的目的。

大型抓斗挖泥船；起升机构；串联卷筒；优化布置

近年来，海上疏浚与填筑工程的规模越来越大，疏浚市场对疏浚设备的成本、效率、节能、环保等要求越来越高，对大型疏浚设备的需求也越来越迫切。同时随着国家海上基建的大力发展，抓斗挖泥船作为一种用途广泛、能够开展就地取材作业的高效挖泥船，开发研制大方量抓斗挖泥船已迫在眉睫。

根据市场需求，开展目前在国际上吨位最大的200 m3级抓斗挖泥船的设计方案研究。该船船长128 m；船宽36 m；额定起升拉力6 900 kN；额定起升速度50 m/min,额定挖深30 m。

起升机构作为抓斗挖泥船中最基本、最重要的机构，其工作能力直接影响整艘挖泥船的施工性能。由于大型抓斗挖泥船的起重载荷大、作业频繁、冲击大，在设计起升机构时，通常会遇到需要开发研制超大型非标电机、减速箱、卷筒的问题。对抓斗机的设计、制造及后期维护工作带来一定的困难[1],同时需要考虑如何减小机构体积的问题。为了尽量减少在本船的起升机构中出现这种超大型非标设备，减小起升机构尺寸，现通过对比3种起升机构布置方案，选择合理的布置方案。

1 起升机构布置方案

起升机构由驱动装置、传动装置、卷绕系统、取物装置、制动器及其他安全装置等组成，不同种类的起重机需配备不同的取物装置，其驱动装置亦有不同[2]。200 m3抓斗挖泥船采用电液主动式抓斗，即使用液压油缸实现抓斗的开、闭斗动作。起升机构需提供的起升力达6 900 kN，综合考虑机械效率、安全系数、起升系数、作业系数等，本起升机构需采用16根φ60 mm的钢丝绳用于起降抓斗[3-4]。

1.1 起升机构布置方案一

参考典型的起升机构布置形式[5-6]，制定了200 m3抓斗挖泥船起升机构布置方案一，见图1。

图1 起升机构布置方案一

该起升单元主要包括电机、减速箱和卷筒(双出绳)，其中电机通过联轴器与减速箱的输入端相连，而减速箱的输出端通过联轴器与卷筒相连。电机通过传动轴带动减速箱，减速箱带动卷筒，卷筒通过卷绕起升钢丝绳带动抓斗的升降。

优点：方案一作为起升机构常见布置形式，结构形式简单，电机、联轴器、减速箱、支承轴承尺寸较小，适用于常规起重产品。

缺点：全船共需8套起升单元，安装空间较大，相应增加了船宽(约2 m)，航行经济性降低；由于卷筒数量多、起升速度快，卷筒之间的同步性较难实现；钢丝绳夹角较大，造成钢丝绳磨损加剧，减少钢丝绳使用寿命，增加后期维护成本。

1.2 起升机构布置方案二

为了减少安装空间，在方案一的基础上优化并制定了方案二，见图2。

图2 起升机构布置方案二

该起升单元包括：电机、联轴器、支承轴承、减速箱、卷筒(四出绳)。驱动形式和方案一相同，区别在于将双出绳卷筒改为四出绳卷筒。

优点：方案二为方案一优化后的布置形式；全船起升单元由8套减少为4套，减少了电机、减速箱的数量，起升单元的安装空间较方案一有所减小，从而船宽尺寸可减小约2 m，相应地优化了船舶的流线形，增加船舶续航能力；采用变频控制技术通过力矩控制和速度控制相结合以保证4个起升单元在作业过程中同步运行，同时钢丝绳夹角有所减小，钢丝绳受力相对均衡，延长了起升钢丝绳使用寿命。

缺点：电机、减速箱、卷筒尺寸增大，需要进行定制；卷筒跨距增大，受力复杂，如仍采用方案一壁厚卷筒，经验算卷筒综合应力达σ=190 MPa，超过钢材许用应力，为满足卷筒使用要求必须增加卷筒壁厚(由65 mm增大到80 mm)[7-8]，从而增加机构总重。

1.3 起升机构布置方案三

针对方案二中卷筒受力复杂、壁厚增加的缺点，方案三特别对起升单元中的卷筒进行优化设计。将一个四出绳卷筒拆分成两个两出绳卷筒[9]，卷筒1与卷筒2之间通过内置联轴器相连接并增加支承轴承2进行支承。见图3。

图3 起升机构布置方案三

优点：继承了方案二中的优点；由于采用了串联卷筒，卷筒受力大幅减小，经计算卷筒壁厚为65 mm时就可满足使用要求，减小了机构总重；支承轴承2的使用，可以有效防止卷筒之间出现超静定现象，卷筒受力更加合理。

缺点：机构形式相对复杂；电机、减速箱仍需定制。

2 对比分析

上述3种方案均可实现抓斗挖泥船的施工工况。通过对比3种方案的优缺点，不难发现方案三是前两种方案的优化。该方案减少了电机和减速箱的数量，减小了机构的安装空间和设备整体重量，卷筒受力更加合理，同步性控制更加简单，延长了钢丝绳的使用寿命。

3 结论

对于200 m3级抓斗挖泥船，起升机构需要提供足够大的驱动能力，以保证起升载荷与起升速度，同时又要考虑船体的主尺度及通航经济性。起升机构布置方案三在各部件均能通过校核的情况下，能满足抓斗挖泥船的施工工况，同时又减小了机构的安装空间，减少了设备整体重量，进而减小了船宽尺寸，提高了整船经济性。综合考虑并经专家会审，方案三的布置形式更合理、更实用。

[1] 耿鹏举.大型卷扬式启闭机起升机构的布置和优化[J].湖南水利水电，2014(3)：101-102.

[2] 张质文，王金诺，程文明，等.起重机设计手册[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[3] 中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[4] 中国国家标准化管理委员会.起重机设计规范[S]，2008.

[5] 成大先.机械设计手册[S].北京：化学工业出版社，2007.

[6] 孙 枫.港口起重机设计规范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[7] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1992.

[8] 卢耀祖.机械结构设计[M].上海：同济大学出版社,2004.

[9] 张伟健，蔡志硕，魏富龙，等.抓斗式挖泥船及其抓斗机起升机构：中国，ZL 2014 2 0138126.0[P].2014.

Comparison on Layout of Large Grab Dredger Hoisting Mechanism

WEI Fu-long, MA Xiao-jing

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Company Limited, Shanghai 200125, China)

Hoisting mechanism of large grab dredger has the characteristics of large hoisting load, fast hoisting speed and huge impact. The design often confronts problems like the development of non-standard equipments. And it should be considered how to cut down the size of the hoisting mechanism. Three kinds hoisting mechanism layout are compared to figure out an appropriate one. This layout form achieves to reduce the mechanism overall dimension, the number of non-standard equipments and the dredger size and enhance the overall economic profit of the dredger without lowering its performance capacity.

large grab dredger; hoisting mechanism; two drums in a serial; optimization

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.020

2015-08-18

工信部高技术船舶科研项目计划资助 (工信部联装[2012]539号)

魏富龙(1983-)，男，学士,工程师

U674.31

A

1671-7953(2015)06-0086-03

修回日期：2015-09-09

研究方向:挖泥船机械设计

E-mail:weifulong@zpmc.net