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合理而有效地减轻大型造船门式起重机整机自重
&&& 随着我国船舶工业的快速发展，所建船舶的吨位也越来越大，各地船厂大多由船台造船向船坞造船发展，船坞的主要配套设备——大型造船的需求迅速增长。由于该类型起重机大多自重较大，一次性投资高。目前该设备的单台建造费用有些已超过上亿元，所以有效减轻整机的自重，对节省投资成本，降低建造费用，具有重要的意义。 &&& 目前，大型造船门式起重机的结构形式主要有2种：双梁门式起重机和单梁门式起重机。由于这2种门式起重机各有优缺点，到底是单梁好还是双梁好，至今没有定论，设计人员基本上是根据用户的要求，但是无论是单梁还是双梁，减轻整机自重的目标是一致的。
&1设计思路 &&& 对于起重机的设计，设计人员要考虑2种载荷：有效载荷和无效载荷。所谓有效载荷就是l台起重机所能提升的最大载荷，即起吊货物的最大起重量；无效载荷就是1台起重机的自重、风载荷等影响起重机基础的载荷。有效载荷和无效载荷的叠加，构成了对起重机基础的全部载荷。所以对新设计项目而言，设计思路就是在不降低起重机性能的前提下，如何最大限度的减少无效载荷减轻对基础的压力，从而降低基础的投资。对旧设备改造而言，其设计思路就是在不增加轮压的情况下，如何减轻自重、提高有效载荷。 &&& 2种设计的目的，其实都是要在减轻整机自重上做文章。起重机的质量主要有2种：从形式上区分是结构质量和机构质量；从功能上区分是固定质量和移动质量。起重机的结构质量大约占整机自重的75％。所以合理地确定结构形式，选择适当的结构参数，对于减轻结构自重，具有明显的效果。上下小车是移动载荷，降低上下小车的质量，可以改善主梁的受力情况(对于新设计项目)，或提高起重机的有效载荷(对于旧设备的改造)。大型造船门式起重机的主要结构分为主梁、刚性腿和柔性腿3大件，现就这3大件的结构选型及如何降低上下小车的自重逐项进行定性的分析。
&&& 2减轻主梁自重的措施 &&& 主梁是门式起重机的主要承载结构，大跨度门式起重机的主梁质量占到整机自重的50％～60％，所以合理的确定主梁的形式和结构参数，对减轻主梁的自重非常关键。确定主梁参数主要从以下几个方面考虑： &&& (1) 主梁的刚度主梁的刚度一般根据用户的规格书的要求确定，如技术规格书没有此项要求时，可根据起重机设计规范确定主梁刚度。主梁的刚度用额定载荷和小车自重在跨中引起的垂直静挠度反映，根据我国广大用户的实际情况，其计算值为跨度的1／750～1／800较合适。 &&& (2) 主梁的高度适当增加主梁的高度，可有效减轻主梁的质量，但会增加主梁的迎风面积，当主梁高度过高时，还会丧失整体的协调。从现在的设计情况看，对于双梁结构，主梁高度取跨度的1／14～1／18，大跨度(大于160m)时，其取值为跨度的1／16～1／18，小跨度时，其取值为跨度的1／14～1／16。对于单梁结构，可适当增加主梁的高度，以减轻主梁的质量，其取值为跨度的1／14左右为宜。如果主梁高度再增加，虽然可减轻主梁的质量，但外形丧失了整体美。该类起重机是船厂的标志性建筑，有时甚至是某一地区的标志，其造型的美观与否，也应是设计人员考虑的因素之一。 &&& (3) 主梁宽度如果说主梁的高度因为受到外形条件的限制，那么主梁宽度的取值，将对主梁质量的影响具有决定的作用，增加主梁的宽度，可降低主梁的质量。而影响主梁宽度因素主要有2点：一是上小车2钩的间距，二是下小车的轨距。对于船厂门式起重机，上小车的钩距较小，这就限制了主梁的总宽度，所以研究方向就是如何减小下小车的轨距。对于双梁结构，主梁宽度(上面板处腹板的中心距)取其高度(主梁的外形)的0．38～0．4倍较适宜。主梁太窄，其水平刚度太差，主梁太宽，将增加上小车的钩距，给使用带来不便。 &&& (4) 合理选择板厚材料的合理分配，是设计人员所要考虑的因素之一。选择材料的相关尺寸与上下面板相近，可以减轻主梁的质量。在确定板厚时，主要考虑2点：钢板的强度随着板厚的增加而降低；小车轮压引起的腹板局部挤压应力。根据目前常用的Q345板材，其主梁中间分段的上面板厚度取34mm或50mm为宜，这样可以有效地利用不同板厚的强度等级，充分发挥材料的性能。下面板一般采用2块板叠加使用，其中一块板采用34mm厚度，另一块板的厚度可根据需要在34～50mm之间选择，这样可以提高许用应力值。主梁腹板的选择原则是2头厚中间薄，最上面的腹板，考虑到小车轮压的作用，厚度取值在l8—22arm为宜，以4mm的厚度向中间递减，中间一块腹板的厚度一般取10～12mm。 &&& (5) 等强度设计虽然等强度设计是每个设计人员所必须考虑的问题，但在该类门式起重机主梁的设计中显得尤为重要。合理的选择主梁的分段长度，不仅能大大地降低主梁的质量，而且可以使制造工艺简便。根据钢板的长度来确定主梁的分段长度，可以减少主梁的焊接量，提高结构件的制造质量，降低制造成本。 &&& (6) 合理利用材料从多年从事起重机设计的经验来看，很多设计人员往往很难注意到这点。因为很多结构上的细节并非是可以根据公式进行计算的，而是要凭设计人员的经验积累，凭设计人员对结构受力的准确判断。主梁结构中的辅助材料约占主梁自重的20％～30％，减少辅助材料的用量，对减轻主梁的自重非常重要，而一般设计人员对此没有引起足够的重视。因此设计人员考虑的原则是：在过去成功的结构设计上做减法，而不是作加法；分析力的传递路线，所使用的每一块材料，都要明确其使用目的，不起作用的材料坚决不用。
&&& 3 减轻刚性腿重量的措施 &&& 刚性腿是门式起重机3大结构件之一，其结构形式和自重对整机的影响也不可忽略。刚性腿的形式一般分为倒“T”形和“人”字形结构，2种形式各有优缺点。倒“T”形结构简单，电梯和扶梯布置方便，并有宽敞的空问布置电气房，目前这种形式的刚性腿使用较多，但自重略重；而“人”字形结构正好相反。从设计的角度考虑减轻质量的关键是控制刚性腿的外形尺寸。刚性腿的上部尺寸，以往的经验一般取主梁高度的1．2倍。但对于这种大型造船用门式起重机，其机构控制均采用变频调速，其起、制动的冲击力的减少，改善了结构的受力情况。所以刚性腿的上部尺寸可以根据需要(主要考虑电气房的空间需求)取主梁高度的0．8～1．0倍，应力的取值为许用应力的0．7～0．8倍。
&&& 4 柔性腿的设计原则 &&& 柔性腿是3大结构件中自重较轻的结构件，其自重对整机的影响较小，设计的原则主要是考虑柔性腿的细长比，根据经验柔性腿的细长比取85～90为宜。柔性腿的设计主要在于结构细节上的处理。上部与柔性铰连接处传力路线设计的合理与否是柔J眭腿设计是否成功的关键。
&&& 5 上下小车的减重措施 &&& 作为移动载荷，上下小车的质量对于整机自重的影响非常大，小车质量的降低，主梁自重可以下降，将有效地降低整机的自重或提高起升能力。要降低上下小车的质量，应从机构的设计选型切人。设计应考虑的主要因素有：采用单卷筒取代双卷筒；设计一种安全可靠、轻便灵巧的排绳机构；采用高性能的减速器；选用高强度钢丝绳以减小钢丝绳的直径；合理的机构布局以得到小车车架的合理受力，减轻小车架的自重；设计合理的钢丝绳穿绕系统。 &&& 原起升机构的设计采用双卷筒形式(图1)，该形式体积庞大，重量较重。改进设计将双卷简改为单卷筒，并重新设计了一套轻便灵巧的排绳机构，不但解决了长卷筒的钢丝绳排绳问题，也大大降低了机构的自重；在吊钩移动方面，从原来的机构整体移动改为移动定滑轮；选用硬齿面减速器取代中硬齿面减速器；调整布局，将小车上的机构向中间靠拢以平衡部分吊重力矩(图2)。通过以上措施，以同样起重量的小车比较，上小车由原来的400t(沪东厂600t门机)降低至300t(长兴岛基地600t门机)，重量减轻了25％，下小车由原来的180t(沪东厂600t门机)降低至123t(长兴岛基地600t门机)，重量减轻32％。 图1沪东厂600tX170m门机起升机机构
&6 行走机构的优化设计 &&& 行走机构一般由行走台车和若干组平衡梁组成，其优化的重点在主动台车的设计。设计的出发点是充分利用现有的通用减速器特性，省略可。
图2长兴岛基地600tX187m门机起升机构
&&& 以省去的零件，最大限度的减小车轮的间距，以达到减轻重量的目的。在为金海湾船业有限公司设计的900t门式起重机的行走机构中，采用了一种全新的台车结构形式。采用法兰连接形式的减速器取代套装式减速器，省去了中间驱动轴，其主动台车的重量由4052kg降低至3400kg，重量减轻约16％，26台主动台车共减轻重量约17t。
图3金海湾900tX201m门机主动台车机构
&&& 通过上述的各项措施的实施，有效的减轻了整机的自重，总体的设计性能达到了国际先进水平。当年沪东厂600tX170m门式起重机的设计重量为4900t，而为长兴岛造船基地设计的是600tX187m门式起重机，虽然跨度大了17m，但自重为4550t，折算比较减重约16％，节省投资约1500万元。& & & & & & & & & & & & &
造船厂用100吨龙门式起重机 浙江大型花架门式起重机
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