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摘 要：本文2000t风电安装起重机吊臂的搁置装置，安装在大型深水多功能风电平台上，用于海上风电安装重型起重机非工作时吊臂搁置时使用。该装置能克服大型深水多功能风电平台在拖航过程中吊臂对搁置产生相对运动的影响，保证拖航过程中风电安装起重机的安全。论述了一种海上风电安装重型起重机吊臂的搁置装置设计及受力分析。
关键词：海上重型起重机吊臂搁置装置;滚轮式;自动位移補偿
中图分类号：TE52 文献标识码：A
Design of Shelving Device for 2 000 t Wind Power Installation Crane Jib
ZOU Tao， CHEN Yi， WANG Liangwei
（ South China Marine Machinery Guangzhou Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）
Abstract： The shelving device for 2 000 t wind power installation heavy crane jib is designed. The device is installed on a large deep-water multifunctional wind power platform， used for the shelving of offshore wind power installation heavy crane jib when it is not working. The device can overcome the influence of the crane jib on the relative motion of large deepwater multifunctional wind power platform during towing， and ensure the safety of the heavy crane during towing. In this paper， the design and force analysis of a heavy crane jib shelving device for offshore wind power installation are discussed.
Key words： Offshore heavy crane jib holding device; Roller; Automatic displacement compensation
1 前言
海上风电相对于陆地发电有很多优势。海上风力机可以减少对陆地土地资源的占用，而且海上具有适合大型风电工程的大片连续空间，非常适合大型风电场的建立;海上风电可以降低对风力机运行环境的要求，不必担心电磁波、噪声等对居民的影响和风力机对居民视觉上的污染;海上风力发电技术可以充分利用海洋开采石油天然气过程中积累的经验，减少技术研发成本。
海上风电是未来清洁能源新方向，目前全球风电场建设已从陆地转向海洋。《中国风电发展路线图2050》已对我国风能资源开发进行了规划，国家《可再生能源法》把风电发展纳入了法制框架，我国海洋发展战略已明确将海上风电发展列为重点。
随着我国海上风电场的水深迅速提高到30 m以上，导管架将变成基础结构类型的主流选择。导管架的重量与海底地质条件、机组型号、水深、离岸距离、风、浪、流等条件有关，与机组功率和水深的关系尤其密切，新一代的风电安装平台的起重能力需达到2 000 t左右。随着风电场规划向更深海域推进，风场水深增加和风力发电机的装机容量加大，对海上风电安装重型起重设备提出了起吊能力更大、起吊高度更高和抗风能力更强的要求。目前风电安装船的绕桩式起重机最大起重能力为1 200 t已无法满足未来海上风电发展的需求。
2 常规的船用起重机吊臂的搁置装置
船用起重机设计时，需要考虑以下四种工作状态：（1）工作中船外起升;（2）工作中船上起升;（3）不工作时吊臂不收车;（4）不工作时吊臂收车。
设计时，考虑起重机工作中船外起升和工作中船上起升两种工作状态，主要是保证起重机在起吊作业中的安全和起重机自身的结构安全;对于起重机不工作时吊臂不收车状态，主要是保证起重机自身的安全;对于起重机不工作时吊臂收车状态，主要是保证在拖航过程中和长时间搁置时起重机的自身安全。
现有船用起重机在非工作状态时，往往把起重机吊臂放倒在搁置装置上，使起重机变幅系统处于一个放松状态，更好地保护起重机变幅系统和起重机自身，延长起重机的使用寿命。
与陆地起重机不同，船用起重机在拖航过程中，起重机吊臂除了承担吊臂自身的重力负荷外，还要承担船舶航行中船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷，往往需要承担相当于工作状态时甚至更重的负荷。如果船用起重机吊臂保护不好，或者吊臂不放在吊臂搁置装置上，不仅容易损坏起重机的回转系统，特别是回转减速、回转减速箱输出小齿轮和用于起重机做回转运动的回转支承大齿等运动部件容易损坏，也容易损坏起重机变幅系统，若变幅钢丝绳长期处于交变受力状态，会降低变幅钢丝绳的使用寿命。
传统的船用起重机起吊能力小、吊臂重量轻，在拖航时受到船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷影响也较小。常规起重机的搁置装置都是由1吊臂搁置块、2枕木、3搁置架组成，如图1所示。吊臂搁置块焊接在吊臂上，用于保护吊臂主体结构在搁置时不被损坏;起重机搁置时，枕木在吊臂与搁置架之间起减震作用;搁置架用于支撑起重机吊臂自重和抵消船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷。 传统吊臂搁置装置的优点是设计简单、制造成本和维护成本低;缺点是吊臂搁置装置的枕木容易损坏，需要经常更换枕木，维护麻烦。因此，需要设计一种新的海上风电安装重型起重机吊臂的搁置装置，来满足重型起重机得结构安全。
3 2 000 t风电安装起重机吊臂搁置装置
随着海上风电产业的迅速发展，对海上大型风电安装起重机产品的需求不断增加。船用起重机的起吊能力不断增加，起重机吊臂重量也不断增加：船用30 t起重机吊臂重量约15 t，1 200 t风电安装起重机吊臂重量约450 t，2 000 t风电安装起重机吊臂重量约800 t。随着海上作业环境变化，起重船和风电安装平台随着海浪运动，起重机吊臂与搁置装置会产生相对运动，在吊臂搁置装置处会因相对运动产生异响，特别是在风电安装平台拖航过程中尤为明显，如图2所示。
常规船用起重机的搁置架装置越来越不适合重型起重机吊臂的搁置使用要求，急需设计一种新型的重型风电安装起重机吊臂搁置架装置。利用滚轮受到外力作用自动转动、自动补偿起重机吊臂与搁置装置相对位移的原理，设计2 000 t风电安装重型起重机带滚动轮的新型起重机吊臂搁置架装置。滚轮采用钢质滚轮、双排多滚轮设计，增加滚轮与吊臂有效接触面积和数量，降低滚轮的直径和应力。这种新型吊臂搁置架装置有效解决了枕木强度不够和需要经常更换枕木的问题，同时也有效解决了起重机吊臂与搁置装置会产生相对运动产生异响的问题。这种带滚动轮的新型起重机吊臂搁置装置，由吊臂搁置块、枕木、滚轮装置和搁置架组成，如图3和图4所示。
3.1 受力计算
在校核这种带滚动轮的新型起重机吊臂搁置装置强度时，需要考虑船舶航行中船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷。起重机吊臂搁置架受到船体施加的垂直于甲板的加速度、前后方向平行于甲板的加速度、静横倾和风速。按照中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》中3.2.11对船舶运动载荷规定，垂直于甲板的加速度、前后方向平行于甲板的加速度、静横倾和风速等参数规定如下：
（1）垂直于甲板的加速度±1.0 g;
（2）前后方向平行于甲板的加速度±0.5 g;
（3）横向平行于甲板的加速度为±0.5 g;
（4）静横倾30°;
（5）风速55 m/s。
3.2 风载荷计算
作用在起重机结构上或单个构件上的风载荷，按下式计算：
PW = C·q·A = C·1 854·A （N） （1）
式中：q— 风压，q = 0.613;
C— 部件形状风力系数，C=0.8;
V— 工作时风速，V =55 m/s;
A —物品迎风面积（m2）;
3.3 搁置架受力计算
重型起重机吊臂搁置架在船舶航行过程中受到船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷，其中以船体施加的垂直于甲板的加速度和横向平行于甲板的加速度影响最大，重型起重机吊臂搁置架受力分析如图5所示。
垂直力： Fy =G×9.8 × （1+Av） × Lg / L （kN） （2）
側向力： Fx=（Pw1+G×9.8×sinα+G×9.8×Bv） Lg/L （kN） （3）
式中：G— 为吊臂重量，t
AV— 垂直于甲板的加速度为AV = 1.0 g;
BV— 横向平行于甲板的加速度为BV = 0.5 g;
α— 静横倾α=30°;
Lg— 吊臂重心到吊臂根部连接销轴中心的距离;
L— 搁置中心到吊臂根部连接销轴中心的距离。
图5 吊臂搁置时受力
3.4 强度校核
分析带滚动轮的新型起重机吊臂搁置装置的最大变形以及该装置主体结构的等效应力。利用Creo4.0三维软件建立三维模型（如图6所示），用ANSYS软件中的Workbench模块对吊臂搁置装置的三维模型进行网格划分、施加载荷约束和边界条件，在吊臂搁置架滚轮处进行静力分析、计算，通过分析得到应力分布云图、总变形量。
3.4.1 结构材料
主要结构采用DH36，材料弹性模量为2.06e5Mpa、泊松比为0.28、密度为7.85 t/㎡、屈服强度为355 Mpa。
3.4.2 边界条件
根据实际情况，对搁置架底座四根主管底部进行约束。
3.4.3 网格划分
划分网格时，考虑到吊臂搁置装置的主体搁置架是焊接成型，首先采用Sweep进行网格划分，不能用Sweep划分网格的用自由网格进行网格划分。在保证不影响分析结构的前提下，网格尺寸选择0.2 m，共有107926个节点、20 007分单元。吊臂搁置ANSYS网格划分如图7所示。
3.4.4 加载
在搁置状态吊臂对搁置架施加的最大垂直力和侧向力，分别作用在吊臂搁置装置上的滚轮上。
3.4.5 分析和求解
用ANSYSWorkbench模块对吊臂搁置装置的等效应力进行求解，受力加载和约束如图8所示，结果如图9和图10所示。
从应力云图看，吊臂搁置装置绝大部分区域应力在许用应力范围内，在三板相交角隅位置超出许用应力，考虑到模型简化及计算软件处理模型边角、尖角位置的误差，认为结果中出现局部应力尖点现象可以接受，吊臂搁置装置的强度满足使用要求。
4 结论
文中论述了一种新海上风电安装重型起重机吊臂的搁置装置设计，利用Creo4.0三维软件建立三维模型和用ANSYSWorkbench模块对吊臂搁置装置进行等效应力分析。
对比常规船用起重机的吊臂搁置架，带滚轮结构的吊臂搁置架装置更适应于重型起重机的吊臂搁置架，有效解决了因船舶航行中船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷产生的异响，同时不用经常更换枕木，采用钢质滚轮更经久耐用，维护方便且节约成本。由于滚轮不能承受侧向力，因此在拖航过程中需要在吊臂两则与搁置架挡板之间用枕木来固定吊臂，减少滚轮受侧向力影响。海上风电安装带滚动轮的新型起重机吊臂搁置装置设计，为后续吊臂搁置装置设计提供另一种选择。
参考文献
[1]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.
[2] GB中华人民共和国国家标准.GB/T3811-2008起重机设计规范[S].中
国标准出版社.2008.
关键词：海上重型起重机吊臂搁置装置;滚轮式;自动位移補偿
中图分类号：TE52 文献标识码：A
Design of Shelving Device for 2 000 t Wind Power Installation Crane Jib
ZOU Tao， CHEN Yi， WANG Liangwei
（ South China Marine Machinery Guangzhou Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）
Abstract： The shelving device for 2 000 t wind power installation heavy crane jib is designed. The device is installed on a large deep-water multifunctional wind power platform， used for the shelving of offshore wind power installation heavy crane jib when it is not working. The device can overcome the influence of the crane jib on the relative motion of large deepwater multifunctional wind power platform during towing， and ensure the safety of the heavy crane during towing. In this paper， the design and force analysis of a heavy crane jib shelving device for offshore wind power installation are discussed.
Key words： Offshore heavy crane jib holding device; Roller; Automatic displacement compensation
1 前言
海上风电相对于陆地发电有很多优势。海上风力机可以减少对陆地土地资源的占用，而且海上具有适合大型风电工程的大片连续空间，非常适合大型风电场的建立;海上风电可以降低对风力机运行环境的要求，不必担心电磁波、噪声等对居民的影响和风力机对居民视觉上的污染;海上风力发电技术可以充分利用海洋开采石油天然气过程中积累的经验，减少技术研发成本。
海上风电是未来清洁能源新方向，目前全球风电场建设已从陆地转向海洋。《中国风电发展路线图2050》已对我国风能资源开发进行了规划，国家《可再生能源法》把风电发展纳入了法制框架，我国海洋发展战略已明确将海上风电发展列为重点。
随着我国海上风电场的水深迅速提高到30 m以上，导管架将变成基础结构类型的主流选择。导管架的重量与海底地质条件、机组型号、水深、离岸距离、风、浪、流等条件有关，与机组功率和水深的关系尤其密切，新一代的风电安装平台的起重能力需达到2 000 t左右。随着风电场规划向更深海域推进，风场水深增加和风力发电机的装机容量加大，对海上风电安装重型起重设备提出了起吊能力更大、起吊高度更高和抗风能力更强的要求。目前风电安装船的绕桩式起重机最大起重能力为1 200 t已无法满足未来海上风电发展的需求。
2 常规的船用起重机吊臂的搁置装置
船用起重机设计时，需要考虑以下四种工作状态：（1）工作中船外起升;（2）工作中船上起升;（3）不工作时吊臂不收车;（4）不工作时吊臂收车。
设计时，考虑起重机工作中船外起升和工作中船上起升两种工作状态，主要是保证起重机在起吊作业中的安全和起重机自身的结构安全;对于起重机不工作时吊臂不收车状态，主要是保证起重机自身的安全;对于起重机不工作时吊臂收车状态，主要是保证在拖航过程中和长时间搁置时起重机的自身安全。
现有船用起重机在非工作状态时，往往把起重机吊臂放倒在搁置装置上，使起重机变幅系统处于一个放松状态，更好地保护起重机变幅系统和起重机自身，延长起重机的使用寿命。
与陆地起重机不同，船用起重机在拖航过程中，起重机吊臂除了承担吊臂自身的重力负荷外，还要承担船舶航行中船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷，往往需要承担相当于工作状态时甚至更重的负荷。如果船用起重机吊臂保护不好，或者吊臂不放在吊臂搁置装置上，不仅容易损坏起重机的回转系统，特别是回转减速、回转减速箱输出小齿轮和用于起重机做回转运动的回转支承大齿等运动部件容易损坏，也容易损坏起重机变幅系统，若变幅钢丝绳长期处于交变受力状态，会降低变幅钢丝绳的使用寿命。
传统的船用起重机起吊能力小、吊臂重量轻，在拖航时受到船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷影响也较小。常规起重机的搁置装置都是由1吊臂搁置块、2枕木、3搁置架组成，如图1所示。吊臂搁置块焊接在吊臂上，用于保护吊臂主体结构在搁置时不被损坏;起重机搁置时，枕木在吊臂与搁置架之间起减震作用;搁置架用于支撑起重机吊臂自重和抵消船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷。 传统吊臂搁置装置的优点是设计简单、制造成本和维护成本低;缺点是吊臂搁置装置的枕木容易损坏，需要经常更换枕木，维护麻烦。因此，需要设计一种新的海上风电安装重型起重机吊臂的搁置装置，来满足重型起重机得结构安全。
3 2 000 t风电安装起重机吊臂搁置装置
随着海上风电产业的迅速发展，对海上大型风电安装起重机产品的需求不断增加。船用起重机的起吊能力不断增加，起重机吊臂重量也不断增加：船用30 t起重机吊臂重量约15 t，1 200 t风电安装起重机吊臂重量约450 t，2 000 t风电安装起重机吊臂重量约800 t。随着海上作业环境变化，起重船和风电安装平台随着海浪运动，起重机吊臂与搁置装置会产生相对运动，在吊臂搁置装置处会因相对运动产生异响，特别是在风电安装平台拖航过程中尤为明显，如图2所示。
常规船用起重机的搁置架装置越来越不适合重型起重机吊臂的搁置使用要求，急需设计一种新型的重型风电安装起重机吊臂搁置架装置。利用滚轮受到外力作用自动转动、自动补偿起重机吊臂与搁置装置相对位移的原理，设计2 000 t风电安装重型起重机带滚动轮的新型起重机吊臂搁置架装置。滚轮采用钢质滚轮、双排多滚轮设计，增加滚轮与吊臂有效接触面积和数量，降低滚轮的直径和应力。这种新型吊臂搁置架装置有效解决了枕木强度不够和需要经常更换枕木的问题，同时也有效解决了起重机吊臂与搁置装置会产生相对运动产生异响的问题。这种带滚动轮的新型起重机吊臂搁置装置，由吊臂搁置块、枕木、滚轮装置和搁置架组成，如图3和图4所示。
3.1 受力计算
在校核这种带滚动轮的新型起重机吊臂搁置装置强度时，需要考虑船舶航行中船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷。起重机吊臂搁置架受到船体施加的垂直于甲板的加速度、前后方向平行于甲板的加速度、静横倾和风速。按照中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》中3.2.11对船舶运动载荷规定，垂直于甲板的加速度、前后方向平行于甲板的加速度、静横倾和风速等参数规定如下：
（1）垂直于甲板的加速度±1.0 g;
（2）前后方向平行于甲板的加速度±0.5 g;
（3）横向平行于甲板的加速度为±0.5 g;
（4）静横倾30°;
（5）风速55 m/s。
3.2 风载荷计算
作用在起重机结构上或单个构件上的风载荷，按下式计算：
PW = C·q·A = C·1 854·A （N） （1）
式中：q— 风压，q = 0.613;
C— 部件形状风力系数，C=0.8;
V— 工作时风速，V =55 m/s;
A —物品迎风面积（m2）;
3.3 搁置架受力计算
重型起重机吊臂搁置架在船舶航行过程中受到船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷，其中以船体施加的垂直于甲板的加速度和横向平行于甲板的加速度影响最大，重型起重机吊臂搁置架受力分析如图5所示。
垂直力： Fy =G×9.8 × （1+Av） × Lg / L （kN） （2）
側向力： Fx=（Pw1+G×9.8×sinα+G×9.8×Bv） Lg/L （kN） （3）
式中：G— 为吊臂重量，t
AV— 垂直于甲板的加速度为AV = 1.0 g;
BV— 横向平行于甲板的加速度为BV = 0.5 g;
α— 静横倾α=30°;
Lg— 吊臂重心到吊臂根部连接销轴中心的距离;
L— 搁置中心到吊臂根部连接销轴中心的距离。
图5 吊臂搁置时受力
3.4 强度校核
分析带滚动轮的新型起重机吊臂搁置装置的最大变形以及该装置主体结构的等效应力。利用Creo4.0三维软件建立三维模型（如图6所示），用ANSYS软件中的Workbench模块对吊臂搁置装置的三维模型进行网格划分、施加载荷约束和边界条件，在吊臂搁置架滚轮处进行静力分析、计算，通过分析得到应力分布云图、总变形量。
3.4.1 结构材料
主要结构采用DH36，材料弹性模量为2.06e5Mpa、泊松比为0.28、密度为7.85 t/㎡、屈服强度为355 Mpa。
3.4.2 边界条件
根据实际情况，对搁置架底座四根主管底部进行约束。
3.4.3 网格划分
划分网格时，考虑到吊臂搁置装置的主体搁置架是焊接成型，首先采用Sweep进行网格划分，不能用Sweep划分网格的用自由网格进行网格划分。在保证不影响分析结构的前提下，网格尺寸选择0.2 m，共有107926个节点、20 007分单元。吊臂搁置ANSYS网格划分如图7所示。
3.4.4 加载
在搁置状态吊臂对搁置架施加的最大垂直力和侧向力，分别作用在吊臂搁置装置上的滚轮上。
3.4.5 分析和求解
用ANSYSWorkbench模块对吊臂搁置装置的等效应力进行求解，受力加载和约束如图8所示，结果如图9和图10所示。
从应力云图看，吊臂搁置装置绝大部分区域应力在许用应力范围内，在三板相交角隅位置超出许用应力，考虑到模型简化及计算软件处理模型边角、尖角位置的误差，认为结果中出现局部应力尖点现象可以接受，吊臂搁置装置的强度满足使用要求。
4 结论
文中论述了一种新海上风电安装重型起重机吊臂的搁置装置设计，利用Creo4.0三维软件建立三维模型和用ANSYSWorkbench模块对吊臂搁置装置进行等效应力分析。
对比常规船用起重机的吊臂搁置架，带滚轮结构的吊臂搁置架装置更适应于重型起重机的吊臂搁置架，有效解决了因船舶航行中船体颠簸摇晃产生的冲击载荷和交变载荷产生的异响，同时不用经常更换枕木，采用钢质滚轮更经久耐用，维护方便且节约成本。由于滚轮不能承受侧向力，因此在拖航过程中需要在吊臂两则与搁置架挡板之间用枕木来固定吊臂，减少滚轮受侧向力影响。海上风电安装带滚动轮的新型起重机吊臂搁置装置设计，为后续吊臂搁置装置设计提供另一种选择。
参考文献
[1]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.
[2] GB中华人民共和国国家标准.GB/T3811-2008起重机设计规范[S].中
国标准出版社.2008.