大型造船龙门起重机设计问题的总结_童晖

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图 2-a
图 2-b 有时船体分段重量的分布不均,会致使上小车两吊钩载荷存在吊重差,故一般电气上设定两吊钩间的 载荷差不能超过上小车单钩载荷的 30%。为了防止生产中,钢丝绳角度急剧变化,故有时要求上下小车行
走的同步偏差在整个行走范围内不应大于起升高度的 1%,最大不超过 500mm。在造船过程中把分段调运船
②移动载荷(小车及吊载) ;③焊接工艺;④温度。根据以往制造的龙门吊,小车及吊载引起的弹性下挠约比
主梁自重引起的下挠小 50-100mm 左右,焊接工艺引起的变形约为移动载荷引起变形的 1/10。由于焊接过
程中局部加热造成加热区金属收缩,产生残余应力。上下翼缘板附近为拉应力,中间压应力,由于主梁中
间加强肋焊接应力叠加,压应力就会下移。焊接残余应力和工作应力的叠加,长期使用会出现永久性下挠。
阻力。在不影响造船龙门起重机使用性能的情况下,静刚度控制在在 L/800-L/600 较合适,可大大减小整
机自重,具有良好的经济性。具体控制值根据船厂的使用条件、船体装配精度及整机造价来决定,也可和
用户商议而定。
⑵门框负变位
在门框平面内,门框结构为静定结构,在主梁自重吊载等因素作用下主梁在垂直方向将产生变形,由
于刚性腿与主梁多采用焊接或法兰螺栓形式的刚性连接,加之刚性腿惯性矩大,刚性腿始终与主梁垂直,
且不产生相对转动,这样刚性腿就向门框内侧偏斜,而柔性腿与主梁铰接,由于轨道位置和轨距不变,迫
使柔性腿向门框外侧偏斜,如下图 3-a 所示。这种变位会对门框结构的受力状况,增加了刚性腿侧大车轨
道侧向力,增大了刚性门框的附加弯矩,使得车轮磨损更加严重,甚至造成啃轨。
图 3-b
主梁在吊载和自重作用下,主梁下挠角度与刚腿向门框偏斜角度近似相等,因此门框预变位值的计算
方法一般取吊载和主梁自重作用对主梁产生倾角的叠加。
①不计主梁自重,由于小车及额定吊载下跨中主梁产生的倾角
α = (Q + G)L2 /16EI
式中:
Q—抬吊重量;
G—小车重量;
I—主梁惯性矩;
规范要求主梁的上拱度为 0.9-1.4L‰,在实际制作过程中,工厂一般都取上限,同时拱度在制造中不
易控制。造船龙门吊主梁自重较大,主梁下挠受自重影响较大,自重引起的应力也是最大的,故其使上拱
度减小的概率也是最大,一般上拱度为 1.2 L‰以上。
对于大型造船龙门起重机影响主梁弹性变位的主要因素是主梁自重,而过高的要求主梁的静刚度,会
图 1 主梁与跑车形式
a)板梁、跑车在内部行驶(Krupp Ardelt) b)梯形箱梁、钢丝绳牵引上跑车和悬式下跑车(Jucho Pohlig) c)双梯形梁,机房式跑车(Krupp Ardelt) d)多室式箱型梁,机房式上跑车,牵引式下跑车(Demag) e)带有桁架的双矩形梁,自行式跑车(Alliance) f)梯形箱梁,带有两部边跑车和悬式下跑车(Hensen)
无关,当偏斜运行时,两边的信号发生器发出的信号有先后,在这段时间内经过测量行程,其脉冲经过数
字模拟转换器进行调节转速,以纠正偏斜。在柔性铰处有一个纠偏限位装置,具有转速发送器的记录机构,
当其中一条腿超前 25%[f]时,通过改变大车行走电动机电压来改变速度,重新调整大梁平直。万一调整作
用失灵或者吊车梁的偏斜由于某种原因而增大,在达到一定的歪斜位置时(一般为 60%[f]),大车行走偏斜
大大增加整机自重,缺乏经济性。修改后的起重机设计规范取消了工作级别的要求。对于使用简单控制系 统能达到中等定位精度特性的起重机 f≤L/700。③修改后的静刚度控制值比老版规范更加合理,考虑到不
同调速控制系统的完善程度和静刚度的关系。主梁不可能总是保持水平状态,主梁的静刚度应以小车爬坡
的角度为准,小车位于端部的坡度与小车位于跨中的下挠一致,即位于近似在 L/4 区域时,小车没有坡度
用龙门吊进行倾斜拖拉是不允许的,但无意识的倾斜拉力需要考虑到计算中。使用上跑车和下跑车调 运船体时两部跑车行驶的速度不一样和分段翻身时钢丝绳离开垂直线而没有适时调整所致,如图 2-a。钢 丝绳拉力的水平分力对起重机小车轨道理论上没有反作用。但是有些特殊情况下会有所不一样,如果把翻 身的分段无意中放在地面上并且其中有一个提升机构,例如下小车卸载,如图 2-b。在这样的情况下,一 般假定钢丝绳在小车行驶方向偏斜垂直线 10%,在大车行走方向倾斜 5%进行计算。下小车起重量应大于翻 身重量和额定抬吊重量的 50%.
随着跨度和起重量的不断加大及制造工艺的改进,对主梁弹性变位的影响越来越小。由于造船龙门吊跨度
都在 70m 以上,主梁都位于 70m 以上高处,在气温比较高的区域,上下翼缘板的温差较大,温度对上下翼
缘板产生的变形引起主梁结构膨胀收缩就会不一样。由于长期使用,焊接工艺及温度等外界因素的影响,
主梁就会不断下挠产生永久变形。
大型造船龙门起重机设计问题的总结
童晖 (上海振华重工集团有限公司陆上重工研究院,上海,200125) 摘要:本文分别对造船龙门起重机小车布置形式及主梁截面选择,载荷选取,对起重机静态特性、动态特 性、设计及制造工艺方面的重点问题进行总结。本文的设计思路与方法,对今后同类机型的设计具有一定 的借鉴意义。 关键词:造船龙门起重机,额定翻身重量 抬吊 柔性铰
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⑷起重机偏斜运行产生的偏斜载荷
造船龙门起重机由于车轮直径、车轮打滑、电动机转速差等原因,在运行中在大车方向使得刚柔腿产 生偏斜量。龙门架不允许有较大偏斜,柔腿相对于刚腿的容许偏斜量 f ≤ 0.3%L ②.
①主梁水平弯曲引起的变形量 f1 ②柔腿的弯曲变形量 f2 ③刚腿的弯曲变形量 f3 ④刚腿扭转角引起的变形量 f4
限制器就切断起重机行走机构的电源,并接通红色警报灯,当超过 85%[f]时,整机断电,此时必须矫正起
重机到正确位置。而德国 Kocks 公司认为偏斜警报值为 0.2%L,应急停止设定值为 0.3%L 即可。造船龙门
吊一旦倾翻,危害巨大,采用上述装置可多重保证起重机安全。 由基建设计要求知道大车轨道许用侧向推力为 H0 ,从而知道刚性支腿能承受的扭矩 T1 = [H ]⋅ B
The design summarization for large-scale shipbuilding gantry crane
Tong Hui (Shanghai Heavy Industry Co. Ltd Land Heavy Industry Design & Research Institute,Shanghai,200125) Abstract: This paper has introduced the upper and lower trolley’s arrangement, main beam’s section,the definition of design load, and summarized some points ,such as static stiffness, dynamic rigidity, design and manufacture technology. Design thought and method in the paper has a guiding significance to design shipbuilding gantry crane. Keywords: Shipbuilding gantry crane, Rated weight of turn over, Lift simultaneously, Flexible hinge 随着造船龙门吊起重量和跨度的不断加大,合理选择主梁变位值,有效减轻整机自重,确定合理的静 刚度和动刚度,对节省投资成本,提高造船龙门起重机的安全性都具有重要意义。
为了节省船坞或船台的建造费用,在暴风警报时起重机需行驶到附近轨道的终端,固定在锁紧装置上。
这个措施的优点除了绝对安全的承受风力外,还可以使整条行驶轨道的基础仅需按工作中水平力的要求敷 设。由于造船龙门吊的高度一般很高,轮压受风力力矩影响较大。仅需在终端前的一段考虑承受暴风产生
的轮压,这样就节省了大量的费用。
1. 主梁与跑车形式
主梁重量一般占到总重的 40%-60%,主梁的形式及小车的设计对于减轻整机重量来说非常重要。图 1-a 龙门吊属于需要开到装配车间内部去的起重机,其主跑车放在大梁的结构高度以下。这样可以在所需要的 最大起升高度下使吊车达到尽可能小的总高度。近几年来出现了带有上下跑车轨道的、适用于在空中将分 段翻转之用的截面形式。①跨度越大,双梁龙门吊主梁侧向刚度的问题就越来越突出,容易引起小车跑偏, 故大跨度的龙门吊多采用单梁形式。
式中: [H ] —在大车轨道上最大侧向推力; B—刚性腿结构可承受的最大工作扭矩;
则电控系统控制的偏斜量;
3.起重机静态特性
[f
]=
T1 TG max
⋅ ( f1 +
f2
+
f3
+
f4) +
f5
⑴主梁静态刚度
随着起重量和跨度的变化,影响主梁下挠的因素中主梁自重及吊载的相对比值也存在变化。根据以往
实践表明影响造船龙门起重机主梁在预拱后会产生一定的下挠,影响其的因素依次主要有: ①主梁自重;
为了克服以上不利因素,在设计与生产制造过程中,使刚性腿预先向外倾斜一定角度,以便安装后在 载荷和自重作用下刚腿和柔腿均与主梁垂直,如图 3-b。刚腿与刚节点处主梁段上翘角度一般为 3-5°,理 想角度一般为 4.2°左右,刚性腿的预变位值一般为 300-700mm,具体变位值根据计算来确定。
图 3-a
2.性能参数的确定
⑴起升载荷 一般下小车的额定载荷设定为额定翻升载荷的 0.55-0.6 倍,或额定抬吊载荷的 0.5-0.55 倍。 在某些情况下,由于船体分段重量的分布不均,会致使上小车两吊钩载荷存在吊重差,为了保证起重
机安全,故一般电气上设定两吊钩间的载荷差不能超过上小车单钩载荷的 30%。这样就要求大梁能够承受 较大的扭矩,这个扭矩仅向刚性腿传递。当刚性腿能承受较大扭矩和上小车轮压稳定性及行走机构打滑性 能允许的情况下,可放大上小车两吊钩之间的吊重差到上小车单钩载荷的 50%。 ⑵倾斜拉力
刚腿上部相对大车轨道的转角
f = f1 + f2 + f3 + f4 + f5
θ4 =
TGmax GIp
⋅ 180 π
式中:
TGmax —刚腿结构可承受的最大工作扭矩;
G—剪变模量, G = E ; 2(1+ μ)
Ip —截面极惯性矩;
刚性腿扭转角引起的变形量 ⑤大车车轮间隙引起刚腿上部偏移量 f5
双梯形梁的风力系数要比单箱梁风力系数要小。由于工作时的风载荷对行走机构的大小起决定性作用,故
双梯形梁所需行走机构的电机功率,齿轮箱大小及电力消耗相对也较小。造船龙门吊与造船门机相比,不 会因为超载等缘故而发生倾覆,仅仅只需考虑在暴风情况下,整机的稳定性。当造船龙门吊不工作时,一 般要求,跑车都停于刚腿处以达到所需要的抗倾覆稳定性,同时对主梁减小上拱衰减或下挠有益。
大车车轮间隙引起的刚腿上部转角 式中
δ —车轮轮缘与轨道之间间隙;
f4 = θ4L
f5 = θ5L
θ5
=
δ L1
L1 —大车行走机构前后轮轴距;
由于偏斜这种情况在设计上不得不考虑。起重机跨距和大车基距之比过大时,刚性腿和柔性腿的行走 阻力和驱动力之间产生不平衡,则在大车轨道和行走轮轮缘之间摩擦会加快轮缘磨损。将大车台车基距加 大不仅会增加整机重量,也会受到操作上的限制。为了防止龙门吊偏斜运行,首先通过编码器把大车行走 电机同步调整,其次控制大梁纵向轴线对挠性腿轴线的角度,使太快的一侧速度降低。此在沿着造船龙门 吊刚柔腿轨道两边多处埋入磁铁,当信号发生器经过每一磁铁时,同时发出一个信号,其大小与大车速度
体旁或者翻身过程中,不可避免的存在很大的水平力,仅靠车轮摩擦传递是不安全的,容易使车轮打滑。 有些造船龙门起重机为了防止小车吊装过程中打滑,在上跑车传动轴上用两个小齿轮,在下跑车的传动轴 上通过一个小齿轮与齿条啮合,齿条沿纵向固定在主梁上下,这种设计是安全的,也是必要的。
⑶风载荷 造船区一般位于沿海或者内河风力较高的地方,主梁、门腿、上下小车、船体等的风载荷应分别计算。
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