隨著我國船舶工業(yè)的快速發(fā)展，所建船舶的噸位也越來越大，各地船廠大多由船臺造船向船塢造船發(fā)展，船塢的主要配套設(shè)備——大型造船門式起重機的需求迅速增長。由于該類型起重機大多自重較大，一次性投資高。目前該設(shè)備的單臺建造費用有些已超過上億元，所以有效減輕整機的自重，對節(jié)省投資成本，降低建造費用，具有重要的意義。

    目前，大型造船門式起重機的結(jié)構(gòu)形式主要有2種：雙梁門式起重機和單梁門式起重機。由于這2種門式起重機各有優(yōu)缺點，到底是單梁好還是雙梁好，至今沒有定論，設(shè)計人員基本上是根據(jù)用戶的要求，但是無論是單梁還是雙梁，減輕整機自重的目標是一致的。

 1設(shè)計思路
    對于起重機的設(shè)計，設(shè)計人員要考慮2種載荷：有效載荷和無效載荷。所謂有效載荷就是l臺起重機所能提升的最大載荷，即起吊貨物的最大起重量；無效載荷就是1臺起重機的自重、風載荷等影響起重機基礎(chǔ)的載荷。有效載荷和無效載荷的疊加，構(gòu)成了對起重機基礎(chǔ)的全部載荷。所以對新設(shè)計項目而言，設(shè)計思路就是在不降低起重機性能的前提下，如何最大限度的減少無效載荷減輕對基礎(chǔ)的壓力，從而降低基礎(chǔ)的投資。對舊設(shè)備改造而言，其設(shè)計思路就是在不增加輪壓的情況下，如何減輕自重、提高有效載荷。

    2種設(shè)計的目的，其實都是要在減輕整機自重上做文章。起重機的質(zhì)量主要有2種：從形式上區(qū)分是結(jié)構(gòu)質(zhì)量和機構(gòu)質(zhì)量；從功能上區(qū)分是固定質(zhì)量和移動質(zhì)量。起重機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量大約占整機自重的75％。所以合理地確定結(jié)構(gòu)形式，選擇適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)，對于減輕結(jié)構(gòu)自重，具有明顯的效果。上下小車是移動載荷，降低上下小車的質(zhì)量，可以改善主梁的受力情況(對于新設(shè)計項目)，或提高起重機的有效載荷(對于舊設(shè)備的改造)。大型造船門式起重機的主要結(jié)構(gòu)分為主梁、剛性腿和柔性腿3大件，現(xiàn)就這3大件的結(jié)構(gòu)選型及如何降低上下小車的自重逐項進行定性的分析。

    2減輕主梁自重的措施
    主梁是門式起重機的主要承載結(jié)構(gòu)，大跨度門式起重機的主梁質(zhì)量占到整機自重的50％～60％，所以合理的確定主梁的形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，對減輕主梁的自重非常關(guān)鍵。確定主梁參數(shù)主要從以下幾個方面考慮：
    (1) 主梁的剛度主梁的剛度一般根據(jù)用戶的技術(shù)規(guī)格書的要求確定，如技術(shù)規(guī)格書沒有此項要求時，可根據(jù)起重機設(shè)計規(guī)范確定主梁剛度。主梁的剛度用額定載荷和小車自重在跨中引起的垂直靜撓度反映，根據(jù)我國廣大用戶的實際情況，其計算值為跨度的1／750～1／800較合適。

    (2) 主梁的高度適當增加主梁的高度，可有效減輕主梁的質(zhì)量，但會增加主梁的迎風面積，當主梁高度過高時，還會喪失整體的協(xié)調(diào)。從現(xiàn)在的設(shè)計情況看，對于雙梁結(jié)構(gòu)，主梁高度取跨度的1／14～1／18，大跨度(大于160m)時，其取值為跨度的1／16～1／18，小跨度時，其取值為跨度的1／14～1／16。對于單梁結(jié)構(gòu)，可適當增加主梁的高度，以減輕主梁的質(zhì)量，其取值為跨度的1／14左右為宜。如果主梁高度再增加，雖然可減輕主梁的質(zhì)量，但外形喪失了整體美。該類起重機是船廠的標志性建筑，有時甚至是某一地區(qū)的標志，其造型的美觀與否，也應(yīng)是設(shè)計人員考慮的因素之一。

    (3) 主梁寬度如果說主梁的高度因為受到外形條件的限制，那么主梁寬度的取值，將對主梁質(zhì)量的影響具有決定的作用，增加主梁的寬度，可降低主梁的質(zhì)量。而影響主梁寬度因素主要有2點：一是上小車2鉤的間距，二是下小車的軌距。對于船廠門式起重機，上小車的鉤距較小，這就限制了主梁的總寬度，所以研究方向就是如何減小下小車的軌距。對于雙梁結(jié)構(gòu)，主梁寬度(上面板處腹板的中心距)取其高度(主梁的外形)的0．38～0．4倍較適宜。主梁太窄，其水平剛度太差，主梁太寬，將增加上小車的鉤距，給使用帶來不便。

    (4) 合理選擇板厚材料的合理分配，是設(shè)計人員所要考慮的因素之一。選擇材料的相關(guān)尺寸與上下面板相近，可以減輕主梁的質(zhì)量。在確定板厚時，主要考慮2點：鋼板的強度隨著板厚的增加而降低；小車輪壓引起的腹板局部擠壓應(yīng)力。根據(jù)目前常用的Q345板材，其主梁中間分段的上面板厚度取34mm或50mm為宜，這樣可以有效地利用不同板厚的強度等級，充分發(fā)揮材料的性能。下面板一般采用2塊板疊加使用，其中一塊板采用34mm厚度，另一塊板的厚度可根據(jù)需要在34～50mm之間選擇，這樣可以提高許用應(yīng)力值。主梁腹板的選擇原則是2頭厚中間薄，最上面的腹板，考慮到小車輪壓的作用，厚度取值在l8—22arm為宜，以4mm的厚度向中間遞減，中間一塊腹板的厚度一般取10～12mm。

    (5) 等強度設(shè)計雖然等強度設(shè)計是每個設(shè)計人員所必須考慮的問題，但在該類門式起重機主梁的設(shè)計中顯得尤為重要。合理的選擇主梁的分段長度，不僅能大大地降低主梁的質(zhì)量，而且可以使制造工藝簡便。根據(jù)鋼板的長度來確定主梁的分段長度，可以減少主梁的焊接量，提高結(jié)構(gòu)件的制造質(zhì)量，降低制造成本。

    (6) 合理利用材料從多年從事起重機設(shè)計的經(jīng)驗來看，很多設(shè)計人員往往很難注意到這點。因為很多結(jié)構(gòu)上的細節(jié)并非是可以根據(jù)公式進行計算的，而是要憑設(shè)計人員的經(jīng)驗積累，憑設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)受力的準確判斷。主梁結(jié)構(gòu)中的輔助材料約占主梁自重的20％～30％，減少輔助材料的用量，對減輕主梁的自重非常重要，而一般設(shè)計人員對此沒有引起足夠的重視。因此設(shè)計人員考慮的原則是：在過去成功的結(jié)構(gòu)設(shè)計上做減法，而不是作加法；分析力的傳遞路線，所使用的每一塊材料，都要明確其使用目的，不起作用的材料堅決不用。

    3 減輕剛性腿重量的措施
    剛性腿是門式起重機3大結(jié)構(gòu)件之一，其結(jié)構(gòu)形式和自重對整機的影響也不可忽略。剛性腿的形式一般分為倒“T”形和“人”字形結(jié)構(gòu)，2種形式各有優(yōu)缺點。倒“T”形結(jié)構(gòu)簡單，電梯和扶梯布置方便，并有寬敞的空問布置電氣房，目前這種形式的剛性腿使用較多，但自重略重；而“人”字形結(jié)構(gòu)正好相反。從設(shè)計的角度考慮減輕質(zhì)量的關(guān)鍵是控制剛性腿的外形尺寸。剛性腿的上部尺寸，以往的經(jīng)驗一般取主梁高度的1．2倍。但對于這種大型造船用門式起重機，其機構(gòu)控制均采用變頻調(diào)速，其起、制動的沖擊力的減少，改善了結(jié)構(gòu)的受力情況。所以剛性腿的上部尺寸可以根據(jù)需要(主要考慮電氣房的空間需求)取主梁高度的0．8～1．0倍，應(yīng)力的取值為許用應(yīng)力的0．7～0．8倍。

    4 柔性腿的設(shè)計原則
    柔性腿是3大結(jié)構(gòu)件中自重較輕的結(jié)構(gòu)件，其自重對整機的影響較小，設(shè)計的原則主要是考慮柔性腿的細長比，根據(jù)經(jīng)驗柔性腿的細長比取85～90為宜。柔性腿的設(shè)計主要在于結(jié)構(gòu)細節(jié)上的處理。上部與柔性鉸連接處傳力路線設(shè)計的合理與否是柔J眭腿設(shè)計是否成功的關(guān)鍵。

    5 上下小車的減重措施
    作為移動載荷，上下小車的質(zhì)量對于整機自重的影響非常大，小車質(zhì)量的降低，主梁自重可以下降，將有效地降低整機的自重或提高起升能力。要降低上下小車的質(zhì)量，應(yīng)從機構(gòu)的設(shè)計選型切人。設(shè)計應(yīng)考慮的主要因素有：采用單卷筒取代雙卷筒；設(shè)計一種安全可靠、輕便靈巧的排繩機構(gòu)；采用高性能的減速器；選用高強度鋼絲繩以減小鋼絲繩的直徑；合理的機構(gòu)布局以得到小車車架的合理受力，減輕小車架的自重；設(shè)計合理的鋼絲繩穿繞系統(tǒng)。

    原起升機構(gòu)的設(shè)計采用雙卷筒形式(圖1)，該形式體積龐大，重量較重。改進設(shè)計將雙卷簡改為單卷筒，并重新設(shè)計了一套輕便靈巧的排繩機構(gòu)，不但解決了長卷筒的鋼絲繩排繩問題，也大大降低了機構(gòu)的自重；在吊鉤移動方面，從原來的機構(gòu)整體移動改為移動定滑輪；選用硬齒面減速器取代中硬齒面減速器；調(diào)整布局，將小車上的機構(gòu)向中間靠攏以平衡部分吊重力矩(圖2)。通過以上措施，以同樣起重量的小車比較，上小車由原來的400t(滬東廠600t門機)降低至300t(長興島基地600t門機)，重量減輕了25％，下小車由原來的180t(滬東廠600t門機)降低至123t(長興島基地600t門機)，重量減輕32％。


圖1滬東廠600tX170m門機起升機機構(gòu)

 6 行走機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
    行走機構(gòu)一般由行走臺車和若干組平衡梁組成，其優(yōu)化的重點在主動臺車的設(shè)計。設(shè)計的出發(fā)點是充分利用現(xiàn)有的通用減速器特性，省略可。

圖2長興島基地600tX187m門機起升機構(gòu)

    以省去的零件，最大限度的減小車輪的間距，以達到減輕重量的目的。在為金海灣船業(yè)有限公司設(shè)計的900t門式起重機的行走機構(gòu)中，采用了一種全新的臺車結(jié)構(gòu)形式。采用法蘭連接形式的減速器取代套裝式減速器，省去了中間驅(qū)動軸，其主動臺車的重量由4052kg降低至3400kg，重量減輕約16％，26臺主動臺車共減輕重量約17t。

圖3金海灣900tX201m門機主動臺車機構(gòu)

    通過上述的各項措施的實施，有效的減輕了整機的自重，總體的設(shè)計性能達到了國際先進水平。當年滬東廠600tX170m門式起重機的設(shè)計重量為4900t，而為長興島造船基地設(shè)計的是600tX187m門式起重機，雖然跨度大了17m，但自重為4550t，折算比較減重約16％，節(jié)省投資約1500萬元。