2200吨重载低净空变幅式船用起重机L型吊臂结构设计

摘要：针对项目施工限高要求，创新设计一种L型吊臂结构，在满足吊重和吊高需求条件下，可大幅度减小船用起重机作业幅度，减轻吊臂自重。同时，采用ANSYS有限元软件对此吊臂结构作静力学强度分析，优化结构设计，保证结构安全。

关键词：船用起重机；L型吊臂；结构设计；有限元分析

为满足跨海大桥梁段架设，起重机需具备2200吨额定吊重，水面以上52m吊高的起重能力，同时，因施工区域毗邻机场，起重设备须满足水面以上60m航空限高要求。

若采用桁架型式直臂架起重机施工，则需要大幅增加臂身长度且增大作业幅度，不利于成本及安全控制。因此，创新设计一种L型吊臂结构，在满足吊重和吊高需求下，大幅度减小船用起重机作业幅度，降低制造成本且提升了使用安全性。

1 起重机主要性能参数

该船用起重机船艏对称布置2个L型吊臂，分别与甲板面上吊臂铰座销轴连接；船尾布置一个人字架，人字架下方布置4套起升卷扬机构以及4套变幅卷扬机构。L型吊臂与人字架通过变幅钢丝绳相连，变幅角度90°～70°（后拉杆与甲板面夹角）。

L型吊臂为空间桁架结构，单吊臂顶部纵向布置2组主钩起升滑轮，额定起重量2×550吨，主钩纵向间距15m；双吊臂额定起重量4×550吨，主钩横向间距24m；四主钩可联动也可单动，最大起升高度水面以上44.2m，水面以下5m。

2 L型吊臂结构设计说明

单个L型吊臂结构如图2所示，为空间桁架结构，主要由顶部纵梁、顶部横梁以及内、外侧倾斜桁片组成，桁片由后拉杆、前撑杆和中部斜连杆构成，所有杆件均为箱型梁结构。

L型吊臂下端与吊臂铰座销轴连接；后拉杆与顶部纵梁交点处布置2组变幅动滑轮组分别与后部人字架变幅定滑轮组通过钢丝绳连接；2套纵向布置的起升定滑轮组分别与顶部横梁前侧腹板相连。

为便于制造及安装，顶部纵梁分为2个节段通过拼接板连接，其后部节段与内、外侧桁片构成一个单元件；顶部横梁与顶部纵梁同样采用拼接板连接；桁片前撑杆上段以及斜连杆采用法兰连接。各杆件箱体结构主要板材均为Q690高强钢，内部隔板及纵肋为Q355板材或Q235型材。

3 L型吊臂结构有限元计算

该起重机安装在船体甲板面，作业于港区或遮蔽水域，按照《船舶与海上设施起重设备规范》（CCS规范）普通起重机章节相关规定对L型吊臂结构做计算校核。

3.1 结构有限元模型的单元类型

起重机L型吊臂为箱型梁焊接的空间桁架结构，为了便于运算求解采用板梁单元结合方式建模：L型吊臂桁片后拉杆和前撑杆交汇部位以及下端与铰座连接板孔部位采用SHELL63壳单元模拟，其余箱梁杆件均采用BEAM188梁单元模拟，主起升滑轮组及吊重载荷采用MASS21单元模拟，后部变幅拉索采用LINK180杆单元模拟。L型吊臂划分单元后的有限元模型如图3所示。

3.2 有限元模型边界条件

模型约束：L吊臂下端销孔中心建立质量单元，并分别与圆孔周边节点耦合，然后约束质量单元节点5个方向自由度（仅释放绕销轴转动自由度）；变幅拉索LINK180单元前端节点与L吊臂梁单元节点重合，后端节点约束UXYZ三个方向位移自由度。

模型加载：模型自重、船舶纵横倾以及拖航工况的运动效应通过分解重力加速度并沿不同方向定义模型全局加速度加载；起升载荷通过定义MASS21质量单元实常数加载；风载荷通过节点均布载荷加载；模型自重通过调整密度参数使其与图纸重量相符。

3.3 计算工况

L型吊臂结构计算工况如表1所示：

需要说明表1中吊臂仰角是指L型吊臂后拉杆与船体甲板面的夹角。根据CCS规范，作业工况分无风、横风和背风三种作业条件分别计算，风速20.7m/s；航行工况分横风和背风两种作业条件，风速55m/s，另外还需考虑船舶静横倾以及运动加速度的影响。

3.4 材料及许用应力

L型吊臂主结构材质为低合金高强度结构钢Q690。作业工况对应安全系数为1.5（无风）和1.33（有风），航行工况对应安全系数1.15，许用应力见表2：

3.4 主要杆件计算结果

运行求解后可分别得到不同工况下L型吊臂结构的综合应力结果以及位移结果。因文章篇幅有限，表3只统计各工况在横风条件下主要杆件的计算结果：

通过表3可以看出，在仰角90度作业工况下，顶部纵梁综合应力最大，主要因吊重载荷形成的弯曲应力造成；在仰角80度航行工况下，前撑杆综合应力最大，主要因船舶横倾和横摇产生的侧向弯曲应力，以及轴向压应力造成。

工况1横风作业条件下最大综合位移457mm，综合位移云图如图3所示：

3.5 压弯构件的稳定性计算

从结构受力不难看出，L型吊臂前撑杆为重要的压弯构件，所以需按CCS规范校核其稳定性，判定准则为：

公式中σm 为构件承受的弯曲应力，σs 为钢材屈服强度，σc 为构件承受的轴向压应力，σcr 为构件的临界压应力，n为安全系数。在有限元模型中提取前撑杆所有单元对应弯曲应力和轴向应力，并按上述公式校核，计算得到最大比例因子0.476，小于1/1.5，满足规范要求。

4 结语

此L型吊臂结构为船用起重机提供一种新式吊臂类型，可满足低净空要求下的重载吊装，同时兼具作业幅度小、自重轻以及可变幅等优点。通过利用ANSYS有限元软件对L型吊臂结构进行静强度分析，可以看出该结构满足规范要求，且各主要杆件最大应力值在许用应力40%～80%范围内，兼顾了经济效益，结构设计合理。

参考文献：

[1]中国船级社 船舶与海上设施起重设备规范，人民交通出版社，2007

[2]GB/T 3811-2008 起重机设计规范

[3]王新敏，ANSYS工程结构数值分析，人民交通出版社