600t全回转风电安装起重机设计

蒋克勤

江苏省无锡交通高等职业技术学校

600t全回转风电安装起重机设计

蒋克勤

江苏省无锡交通高等职业技术学校

本文介绍了600t海上风电设备安装起重机的性能参数、部件组成、设计计算、安装步骤。

600t；浮吊；设计计算

1.引言

当今世界面临环境恶化、温室效应、石油资源枯竭等一系列问题。开发绿色能源已成为世界各国的一致共识，风力发电作为可再生能源的一种，拥有很大的开发潜能。此台600t起重机是专为海上风力发电安装需要而专门设计的起重机，可以满足3MW～5MW风力发电机的整体海上按装需要。

图1.600t全回转起重机结构

表1.600t起重机吊载能力表格

2.主要结构形式

本项目如CCS级，最大起重量600t(幅度24m)，500t(幅度28m)。主钩幅度28m时起升高度距甲板面68m。其主要结构件包括臂架、人字架、底盘、回转轴承和圆筒体结构，圆筒体结构与船体对接，如图1。

工作时，先将臂架起升至工作角度，驱动回转机构使吊机转至工作区域，随后使用起升机构完成所需起升作业。由于起重机在拖航工况时要求抵御55m/s的强风和横向纵向各1g的加速度，故在船体尾部设立锚定装置，以减少回转部分结构件重量。

2.1 臂架

臂架采用4弦管桁架钢结构，主弦管采用Q690D卷制直缝管，副管采用Q345C无缝管。根部铰点距离主钩定滑轮65m，设计时充分考虑了载荷及其可能产生的偏载和冲击。头部鹅颈安装有150t副钩和15t索具钩，增加了起重机使用的经济性。

2.2 人字架

人字架采用整体焊接式结构，有效地减轻了结构重量。前片受压采用箱体结构，后片受拉采用工字梁结构。拉杆与压杆之间采用连系梁连接，增加了结构的稳定性，同时多个支腿与底盘连接使得底盘受力均匀。人字架顶部安装有变幅缠绕定滑轮组。

2.3 底盘

回转底盘是整个起重机的回转支承，上部前段采用箱体结构，后段采用工字梁结构；下部采用圆筒法兰结构与回转支撑轴承连接。底盘上设有机器房，内部安装有各个绞车和所需电控设备，底盘前端设有辅助绞车平台，安装有两台货物控制绞车，以便于在今后使用时控制货物姿态。底盘筒体结构上设有回转机构支撑架，其安装于吊机左右两侧，有效的避免了由于吊载产生的整机位移所导致的回转大小齿轮之间的背隙的变化。

2.4 锚定装置

锚定装置下部为支撑结构件，顶端安装有楔块滑移装置。拖航时使用液压油缸将滑块顶入滑槽之中，固定配重箱。

3.设计计算

3.1 性能参数

设计温度：-10℃；固定作业时，船舶最大横倾2°、纵倾2°；回转作业时，船舶最大横倾5°、纵倾2°；主钩尾吊：600t@24m，500t@ 28m；主钩回转：500t@22m，400t@28m；副钩吊重：150t@50m，50t@ 70m；索具钩：15t；详细参数见表1。

3.2 有限元单元模型的选择

计算中共用了3种类型单元：梁单元BEAM44，杆单元LINK8，质量单元MASS21。

有限元模型建立及单元划分见图2。

图2.有限元模型示意图

3.2.1 梁单元BEAM44

BEAM44是具有拉伸、压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元。该单元每个节点有六个自由度：节点坐标系的x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。该单元允许其每一端有不同的不对称几何形状，并且允许其端节点从梁的中心轴偏移。示意图见图3。

图3.梁单元BEAM44示意图

3.2.2 杆单元LINK8

LINK8这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点有3个自由度：沿节点坐标系x、y、z方向的平动。本单元不承受弯矩，但具有塑性、蠕变、膨胀、应力钢化、大变形、大应变等功能。示意图见图4。

图4.杆单元LINK8示意图

3.2.3 质量单元MASS21

MASS21是有多至6个自由度的点单元：沿节点坐标系x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴方向的转动。每个坐标轴方向可以分配不同的质量和转动惯量。示意图见图5。

图5.质量单元Mass21示意图

3.3 载荷与参数

3.3.1 风载荷

工作工况，风速20m/s：q=0.613v2=0.613x202=245N/m2；拖航工况，风速55m/s：q=0.613v2=0.613x552=1854N/m2。

3.3.2 作业系数

浮式起重机ψd=1.05。

3.3.3 起升冲击系数

ψh=1+CV，对于臂架式起重机C=0.3。主钩：ψh=1+0.3x2.5/60= 1.01，取ψh=1.1；副钩：ψh=1+0.3x7.0/60=1.04，取ψh=1.1；索具：ψh=1+ 0.3x30/60=1.15，取ψh=1.25。

3.3.4 船舶运动载荷（拖航工况）

垂直于甲板的加速度±1.0g；前后方向平行于甲板或横向平行于甲板加速度±0.5g；静横倾30°；风速55m/s，作用于前后方向或横向。

3.4 材料选用

本项目臂架材料选用Q690D和Q345C，其余主要结构件钢板采用船板焊接制作，人字架部分主要部件采用Q690D，回转轴承上下支撑法兰面采用S355NL，滑轮轴、铰点轴材料选用42CrMo和35CrMo，吊钩锻件采用DG20Mn，其余锻件部分采用16Mn。

3.5 许用应力

根据CCS《船舶与海上设施起重设备规范》起重机结构件的许用应力[σ]由下式算得：

式中：σs—钢材屈服强度，MPa；

σb—钢材抗拉强度，MPa；

n—安全系数，按工况分类，由表2选取；

β—系数，根据钢材屈强比，由表3选取；

表2.安全系数

表4.整机结构受力有限元分析结果

3.6 工况分类

工况1：起重机处于无风工作状态，包括主钩固定工作、主钩回转工作、副钩回转工作；工况2：起重机处于有风工作状态，风载荷分别沿船体横向和纵向加载，包括主钩固定工作、主钩回转工作、副钩回转工作；工况3：起重机处于拖航状态，臂架水平放置于搁架之上，主副钩均被置于搁架内，尾部锚定装置工作，风载荷分别沿船体横向和纵向加载，工况4：起重机处于试验状态。

3.7 计算结果分析

在各个不同的工况下对起重机模型进行加载，得到起重机各部分的轴向应力、弯曲应力和总应力，评估结构静强度，应力云图见图6，计算结果见表4。由计算结果得出在工作工况下，最大应力发生在臂架主弦管；在拖航工况下，最大应力发生在回转底盘；整个起重机的结构设计满足所需要的强度要求。

4.起重机安装与使用

具体安装步骤：吊装圆筒体和臂架搁架；吊装回转轴承；吊装底盘与人字架总成；吊装臂架；穿各个缠绕系统钢丝绳；安装附件和整机调试与吊重试验。