李文锋 顾赛春 李振雄 周 锋
南通润邦重机有限公司技术中心
摘 要：研制了一种具有大吨位载荷、高升降速度、高稳定性、智能监控控制等功能的海洋工程平台自提升装置，解决了目前自提升式海洋工程平台结构功能繁琐、同步协调性差、维护成本较高等局限性问题，对推动海洋工程装备发展具有重要意义。
关键词：自提升； 海洋工程平台； 插销装置
本文所研究的自提升装置主要用于海洋工程平台安全高效作业[1-3]，其连续作业性能出色，具有载荷大、速度快且平衡好的特点，解决了目前海洋工程平台起重装备占用甲板面积大、作业效率低、结构功能繁琐、平台同步协调性差、维护成本高等局限性。
主要技术参数见表1。
表1 自提升装置主要技术参数
技术指标技术参数单桩举升载荷(已含与桩腿的摩擦力)4000t单桩拔桩力(已含与桩腿的摩擦力)≤3600t预压载荷(已含与桩腿的摩擦力)≤6000t单桩支持载荷(风暴支持)6000t桩腿直径4m桩腿孔节距1.5m固装架外形尺寸9.6m×9.6m升降桩腿平均速度18m/h平台水平倾斜报警角度0.5°
本装置主要包含固桩架、平衡器组件、定环梁、动环梁、提升油缸、插销装置等部件，效果图见图1。
图1 海洋平台升降系统单桩效果图
工作原理为：定环梁通过平衡组件与船体固桩架连接，8根提升油缸缸体端部耳板与定环梁铰接，活塞杆端部耳板与动环梁铰接。定环梁和动环梁上各设有4套插销装置。当升平台时，提升油缸处于最短行程，定环梁插销插入桩腿孔，动环梁插销拔出桩腿孔；提升油缸缩回至最短行程时，动环梁插销插入，定环梁插销拔出，提升油缸伸长，平台被起升直至一个节距后，定环梁插销插入，动环梁插销拔出，油缸缩回至最短行程。如此反复上述动作达到升平台的目的。
3.1 基于强度校核和疲劳寿命预测的整机受力构件设计方法
针对本设备各种使用极限工况，进行结构优化设计与校核，提高设计的可靠性与质量。通过数值模拟节省工艺试验费用与时间，降低制造成本。贯彻可靠性设计思想，提高产品使用可靠度和可维修度。研究影响液压系统、电气系统故障的主要因素，为整机可靠性设计提供依据。充分借鉴欧盟国家的先进技术及标准，在冗余和监控、安全等级方面提高目标产品的安全性。有限元分析模型图见图2。
图2 有限元分析模型图
3.2 先进、安全的定动环梁插销结构
定动环梁液压插销结构设计见图3。定动环梁上焊接有铸钢套，内部装有插销，插销由尾部液压油缸伸缩进行驱动，每次循环收放桩腿时进行定动环梁受力的转化。插销与桩腿配合处为方形结构，相比较圆形结构来说，桩腿头部受力为1个面，插销不易磨损且局部受力较均匀。插销尾部装有支架作为传感器的感应点，插销伸出与拔出状态均能检测，通过传感器采集信号输入系统作为控制信号。插销在正常状态均受到来自液压系统的液压力，确保插销始终有一个伸出的趋势，在每次桩腿插孔快接近插销时，插销预先伸出抵在桩腿上滑进插孔。上下2组插销设置有不能同时拔出的互锁条件，确保系统的绝对安全。
图3 定动环梁液压插销结构设计图
3.3 液压升降系统升降运动实现控制及监测技术
海洋工程装备液压升降系统由于采用主副油缸通过液压插销横梁成对交互独立推动桩腿运动的结构形式，每个桩腿的升降循环过程较为复杂，在运动的开始、运动过程、运动结束以及油缸回缩过程中，其运动速度、油液压力等均会发生变化；而海洋工作平台的4条桩腿在起升时由于海床的高低使4个桩腿运动位置存在差异，需要通过控制系统进行协调运动。整个运动过程的参数变化控制是项目的关键技术。
液压控制系统设计图见图4。液压传动系统由速度控制回路、压力控制回路、换向回路等基本液压回路构成。其工作部件主要为液压缸，并通过电磁换向阀控制器工作。系统的控制信号来源于按钮(启动、停止)、开关、行程限位开关、压力控制开关以及温度传感器、压力传感器等。这些控制信号通过输入接口输入PLC，经过PLC内部的控制程序处理后，按照预定的逻辑顺序实现整个液压系统的控制。
3.4 远程监控、故障智能诊断与维护技术
PLC一般作为主站，使用Profibus现场总线与其他模块进行数据通讯，因此嵌入式智能监控与维护单元可以作为Profibus从站挂接在Profibus总线上与PLC实现数据交互。主站与从站的数据通信由CPU的过程映像输入和输出表进行处理，或者由用户程序访问I/O命令来实现。Profibus-DP通信见图5。
图4 液压控制系统设计图
图5 Profibus-DP通信
在基于Profibus总线的监控系统基础上，各起重设备的监控系统，通过网络通信模块与INTERNET相连，各起重设备的监控系统与公司服务器通信，并将数据保存到公司服务器。服务器端依据故障诊断算法和数据库数据，可实时诊断设备的故障，并提供远程维护指导(见图6)。
图6 远程监控服务系统
超大吨位海洋工程平台作为一种标志性、带动性强的重点产品和重大装备中的代表，其液压自提升式装置的成功研发将有效提升我国海洋工程装备的自主设计水平和系统集成能力。本文研究主要完成了以下几个方面的突破和创新：
(1)突破单桩举升载荷4 000 t、升降桩腿平均速度24 m/h、平台横倾/纵倾报警角度0.5°的超大吨位液压插销式海洋工程平台起重装备的自主研发和制造能力，技术水平达到国际先进。
(2)创新定动环梁插销结构，解决了目前海洋工程平台起重装备结构功能繁琐、同步协调性差等局限性。
(3)液压控制系统采用差动和随动的组合方式，提高了系统的工作效率。
(4)创新液压升降系统方案设计研发，液压升降系统自动平衡控制，解决桩柱升降过程和作业过程中，横纵倾斜不超过0.5°。
(5)智能化集中控制系统，通过集中控制台实现，与各桩腿控制单元实现控制信息的交互，确保海上安全高效作业。
参 考 文 献：
[1] 海上移动平台入级规范(2012)[S]. 北京：中国船级社，2012.
[2] 海上移动平台入级规范2013修改通报[S]. 北京：中国船级社，2013.
[3] 海上移动平台入级规范2014修改通报[S]. 北京：中国船级社，2014.
李文锋： 226013, 江苏省南通市船舶配套工业园区(陈桥)荣盛路88号
Research and Development of the Self Elevating Device for Offshore Engineering Platform
Li Wenfeng Gu Saichun Li Zhenxiong Zhou Feng
Nantong Rainbow Heavy Machineries Co.,Ltd.
Abstract：To develop the self-elevating device of offshore engineering platform with the functions of large tonnage, high elevating speed, high stability and intelligent monitoring and control. It solves the problems of complicated structure, poor coordination and high maintenance cost of the self-elevating offshore platform. It is of great significance to promote the development of offshore engineering equipment.
Key words：self elevation; offshore engineering platform; bolt device
收稿日期：2017-03-03
DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.04.005
联系客服
