（机械工程专业论文）Φ500输油臂的研究与应用.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着国内外油品码头建设设步伐的加快，船用输油臂作为油品码头装卸作业的关键 设备也有了更高的要求，为了进一步提高国产船用输油臂的研发水平，振兴民族工业， 本文在结合大连港新3 0 万吨级油品码头建设工程项目的基础上，对0 5 0 0 船用输油臂进 行了开发和研究。 本文通过对国内外船用输油臂发展概况的介绍，结合目前国内船用输油臂的发展实 际和发展趋势，运用有关力学知识对0 5 0 0 船用输油臂的关键部件一中间旋转接头及 输油臂本体钢结构进行了设计计算。同时，对0 5 0 0 船用输油臂的液压控制系统及电气 控制系统进行了设计，对0 5 0 0 船用输油臂的试验进行了设计，对系统维护和系统故障 进行了分析。 在本研究的基础上，大连港0 5 0 0 船用输油臂已经顺利地完成了制造和调试工作， 并且已经投入了使用，各项数据均达到了设计要求，码头的作业效率显著提高，得到了 用户的高度评价。 本文的研究为国内0 5 0 0 船用输油臂的开发提供了计算理论依据，填补了目前国内 在大口径船用输油臂开发领域的空白，也为国内下一步在大口径输油臂的制造领域打下 了基础。同时，本文对船用输油臂的发展趋势进行了分析，为进一步提高国内船用输油 臂的发展水平指引了方向。 关键词：船用输油臂；旋转接头；本体结构 大连理工大学专业学位硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f0 5 0 0l o a d i n ga r m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fy a db u i l d i n gf o ro i lt r a n s p o r t a t i o ni n t e r n a la n do v e r s e a s ， a st h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t , t h em a r i n el o a d i n ga r mi sa l s or e q u i r e dm o r eh i g h e r c a p a c i t y i no r d e rt oi m p r o v et h et e c h n i c a ll e v e lf o r t h er e s e a r c ho fo u rh o m e g r o w nm a r i n e l o a d i n ga n ：na n dd e v e l o po r rn a t i o n a li n d u s t r y , b a s e do nt h ep r o je c to fd a l i a np o r tn e w 30 0 ，0 0 0o i ly a r dt h ea r t i c l ei ss t u d y i n gt h e0 5 0 0m a r i n el o a d i n ga r m t h r o u g hg e n e r a l l yi n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm a r i n el o a d i n ga r mi n l a n da n d o u t l a n d ，b a s e do nt h ec u r r e n tt e c h n i c a ld e v e l o p i n gl e v e ra n dt e n d e n c y , t h ea r t i c l ei sa p p l y i n g r e l e v a n tm e c h a n i c st oc a l c u l a t ea n da n a l y s i st h er o t a t i o n - j o i n ta n db o d ys t r u c t u r eo f0 5 0 0 m a r i n el o a d i n ga r m a tt h es a m et i m e ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sh y d r a u l i ca n de l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mo f0 5 0 0m a r i n el o a d i n ga r m t ou s i ti sa l s oi n c l u d i n gr e l e v a n tc o m m i s s i o n i n gp r 6 c i s a n ds y s t e mt r o u b l ea n a l y s i s b a s e do i lt h i sa r t i c l et h e0 5 0 0m a r i n el o a d i n ga r mh a sb e e nm a n u f a c t u r e da n dp a s s e d t e s t i n g ，a l ld a t ah a sr e a c h e dd e s i g nr e q u i r e m e n ti th a sb e e nu s e db yt h ep o r t ，i ta l s oh a s b r o u g h tt h eo b v i o u sh i g h e rw o r ke f f i c i e n c y , i th a sr e c e i v e dh i g ha p p r a i s e m e n t t h es t u d yi n t h i sa r t i c l ec a np r o v i d eu s e f u lt h e o r e t i c a lp r o o f so i lt h ed e v e l o p m e n to f 0 5 0 0m a r i n el o a d i n ga r mi n l a n d i ts u p p l i e sag a po nt h ed e v e l o p m e n to fb i g g e rs i z em a r i n e l o a d i n ga r mi n l a n d i ta l s ol a y saf o u n d a t i o no fm a n u f a c t u r eb i g g e rs i z em a r i n el o a d i n g a r mi n l a n d a r m a tt h es a m et i m e ，t h ea r t i c l eg i v e su sa n a l y s i so nt h ef u t u r et e n d e n c yo ft h e d e v e l o p m e n to fm a r i n el o a d i n ga r m i tw i l ll e a d su st oar i g h td i r e c t i o n k e yw o r d s ：m a r i n el o a d i n ga r m ；r o t a t i o n - j o i n t ；b o d ys t r u c t u r e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：鱼堇q q 捡油壁的巫究皇座旦 储鲐j 譬牟l 帆蟛丝月丝日 巾5 0 0 船用输油臂的研究与应用 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 鱼q q 箍油暨的硒究皇廑旦 作者签名： 亟垄蛰盘日期：之丝竖年丝月么日 导师签名： 数日期：气：竺呈年上l 月乙日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1绪论 船用输油臂是一种安装在码头前沿，用于连接陆域液体介质输送工艺管线与作业船 舶的一种港口装卸作业设备，其主要用于输送原油、成品油及一些液体化工产品。其设 计上的独特性，确保了设备具有空间三维可动性，能够满足船舶在不同的潮汐，吃水条 件下安全作业，同时也能够适应由于涌浪所造成的船体不规则运动。因此，近年来该设 备在国内外众多油品及液体化工码头得到了广泛的应用。 船用输油臂的应用在提高码头的作业效率，提高作业的自动化程度，提高船舶作业 的安全性以及降低作业人员的劳动强度和操作危险性等方面发挥着及其重要的作用。已 经成为现代化的油品及液体化工码头装卸作业中不可缺少的关键设备。 我国在船用输油臂的研发和利用领域与国外相比差距较大，在8 0 年代以前很少有 油品码头使用船用输油臂进行装卸船作业，即使在2 0 世纪8 0 年代初期，少数码头使用 的输油臂也完全从国外进口。我国对输油臂的研发开始于2 0 世纪8 0 年代中期，最早的 一台输油臂是由早期的大连工学院与大连港合作为大连港新港油品码头制造。虽然我国 在船用输油臂的研发领域起步较晚，但随着改革开放的不断深入，尤其是近年来，随着 国际原油市场的飞速发展，国内油品码头建设步伐也随之加快，我国在船用输油臂的研 发及应用领域也有了飞速的发展，基本上实现了输油臂的国产化。输油臂研发也逐步走 向大型化，控制系统也由手动、电动发展到遥控，在使用安全性方面，很多输油臂都逐 步配置了紧急脱离装置，在作业过程中出现紧急状态时能够确保设备的安全，在操作安 全便利性方面，很多输油臂都逐步配置了液动快速接头。操作更为安全方便。 虽说如此，但我们在船用输油臂的研发方面较国外还有一定的差距，主要表现在大 型输油臂研发落后，目前国内自制的船用输油臂最大口径仅为0 4 0 0 ，而国外早在7 0 年 代就有0 6 0 0 的产品。在紧急脱离装置及液动快速接头研究方面差距更大，目前国内使 用的均为进口产品，尽管在国内有专利申请，但没有一个实用产品，在这方面国外仍处 于垄断状态。 1 1国内外船用输油臂的发展概况 1 1 1国外船用输油臂的发展概况与发展趋势 在国外船用输油臂酌发展已经有5 0 多年的历史，发展到今天，整个船用输油臂的 国际市场几乎已被几个早期的老牌公司所垄断，许多小型生产企业已逐步退出了该领 域。其中比较著名的公司包括法国的f m ct e c h n o l o g i e s 公司，英国的w o o d f i e l d 公司以 及日本新泻铁工所。 郴o o 船用输油臂的研究与应用 法国的f m ct e c h n o l o g i e s 公词是目前世界上船用输油臂制造领域第一大公司，占有 全球5 0 以上的市场，其先后在世界范围内生产制造船用输油臂8 0 0 0 多台。其在1 9 5 6 年翻造；出谨界上第一台船用输油臀，并在1 9 6 3 年生产遗邀界上第一台l n g 船用输i 盎臂 【1 】，在1 9 6 9 年生产出目前世界上最大口径的船用输油臂，输送口径达到6 0 0 m m “1 。尤其 是近年来，其发展速度显著加快，这无疑得益于世界油品码头建设的提速，其无论在技 术，生产能力还是市场占有率方面均处于世界领先地位。其在2 0 0 6 年青岛港油港公司4 台王6 寸船用输漓的公开招标中，一举拿下近两千万元的项露，依靠的就是其领先的技 术水平，并且顺利的打开了中国的市场大门。 英国的w o o d f i e l d 公司也是一家传统的船雳输油臂制造公司，其几乎与f m c 公司 在船用输油臂制造领域同时起步，目前在国际市场上也占有一定的市场份额，其同样可 以生产0 1 0 0 到0 6 0 0 各种规格型号的船用输油臂，其主要的优势在于特种船用输油臂 麴生产，院如用于输送纯工原料l n g 、l p g 以及其链的低溢流体，其输送介质的温度 范围可达到零下1 6 4 度至零上2 0 0 度，同时其还可以生产用于输送具有腐蚀性的化工产 品的船角输油篱。 日本新泻铁工所也是一家传统的船用输油臂制造公司，其在早些年甚至与f m c 公 司并驾齐驱，占有很大市场份额。尤其是在8 0 年代初就进入中国市场，中国旱期的船 用输油臂几乎都从日本进口，但近年来，宙于其在技术方面已落后予f m c 公司，并且 在国际市场上没有价格优势，已逐步开始下滑，但其在船用输油臂关键部件一旋转接 头的密封技术上仍l 曩处予领先位置，这主要得益于其先进的加工技术和优良的材质性 能。 除此之外，鑫终还有一些募来生产船翔输漓譬的企业已逐步退凄该市场，转焉研究 船用输油臂的关键部件。比如意太利的i m b 公司现在已成为输油臂旋转接头、紧急脱 离装置和液动快速接头的的专业生产厂家，而且其在该技术方面的研究处于世界绝对领 先位置，进而也产生了很大的附加值，眈如一套1 6 寸船用输油臂的紧急脱离装置的价 格甚至高于整台设备钢结构的价格。 隧着萤际原油市场的飞速发展，船雳输漓篱的发震也嚣趋加快，技术水平也不断提 高。其发展趋势主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 随着油蘸码头建设及漓品运输船舶建造的大型化，为了提高码头的作业效率， 船用输油臂的发展也日趋大型化。尤其是近年来中国的油品码头建设步伐很快，继2 0 0 4 年大连港3 0 万吨级油品码头建成投产以来，青岛港也在2 0 0 6 年建成3 0 万吨级油品码 头，天津港也在2 7 年将原有的1 5 万吨级油品码头改造成3 0 万吨级油品码头，大连 大连理工大学硕士研究生学位论文 港已立项建设新3 0 万吨级油品码头，其实际靠泊能力可达到5 0 万，可以满足现有世界 上最大的油船靠泊。因此，船用输油臂的大型化已成为必然趋势，尤其是在中国，未来 会有很大的市场潜力。 ( 2 ) 随着液压及电子技术的发展，船用输油臂的控制系统将会越来越先进。早期的 输油臂因为型号小，运行阻力小，手动即可实现操作。随着船用输油臂的加大，手动操 作已很难实现，进而出现了液压控制系统操作，目前已发展到遥控操作。随着液压及电 子技术的不断提高，可以想象将来的控制系统会更加简单可靠，操作会更加便利。 ( 3 ) 随着需求的发展，船用输油臂的安全性也会逐步的提高，紧急脱离装置会得到 广泛的应用。目前，船用输油臂的紧急脱离装置技术在国外已经很成熟，由于价格原 因目前并没有广泛应用，但从设备的安全性以及新技术的应用角度来考虑，紧急脱离装 置必然会得到应用和推广。 ( 4 ) 从操作方便、安全角度来考虑，液动快速接头在不久的将来也一定会得到广泛 的应用。1 。与此同时，随着船用输油臂的大型化，人工对接也变得更加困难、甚至于无 法实现顺利对接，同时操作也很不安全，因此，液动快速接头的广泛应用也是一种必然 趋势。 1 1 2 国内船用输油臂的发展概况与差距 j 国内对船用输油臂的研究较国外起步很晚，我国在2 0 世纪8 0 年代才开始对船用输 油臂进行研究，最早的一台输油臂是在1 9 8 5 年由早期的大连工学院与大连港合作为大 连港新港油品码头设计制造。随着我国油品码头建设步伐的加快，我国在船用输油臂的 研究领域也飞速发展，逐步形成了一些较有规模的生产企业。主要有大连港机械厂，连 云港远洋流体装卸设备有限公司等“1 。尽管我国在船用输油臂的研究领域起步较晚，但 发展速度却十分迅速，目前，国产输油臂包括o 1 0 0 到0 4 0 0 各种规格型号，操作也可 以根据需求实现手动、液动和遥控，基本上满足了目前国内油品码头的生产需求。而且， 在国内，由于价格上的优势，国产船用输油臂基本上垄断了国内市场。 大连港机械厂在2 0 世纪8 0 年代初期就开始对船用输油臂进行研究，并在1 9 8 5 年 研制出国内第一台船用输油臂，在1 9 9 3 年研制出国内第一台0 3 0 0 船用输油臂，在2 0 0 3 年研制出国内最大口径的0 4 0 0 自立支撑式船用输油臂，也是目前国内最大口径的输油 臂。船用输油臂作为该厂的主导产品j 已在国内生产制造2 0 0 余台，在环渤海区域占有 较大的市场。 连云港远洋流体装卸设备有限公司对船用输油臂的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代 中期才开始船用输油臂的研究与制造。但作为一家专业生产输油臂的厂家，其近年来在 审5 0 0 船用输油臂的研究与应用 国内的发展速度十分迅速，低廉的价格已使其占有了8 0 的国内市场t 2 ，其在输油臂研 发方面也有很大的发展，但目前仍有很大的局限，最大口径仅为0 4 0 0 ，在紧急脱离装 置及液动快速接头方面的研究还是空白。但正是其的发展，使得目前在连云港地区出现 了许多船用输油臂的生产厂家，从另一个方面带动了国内船用输油臂的发展。 尽管我国在船用输油臂的研发方面取得了一定的成绩，但与国外相比仍有很大的差 距。主要表现在大型船用输油臂的研发、特种船用输油臂的研发( 用于输送具有腐蚀性 的化工产品，、高温及低温流体等) 以及输油臂的紧急脱离装置和液动快速接头的研发 等方面。因此，在国产输油臂的研发方面，我们还有很多工作要做，作为船用输油臂生 产厂家，我们必须组织专门的技术人员进行技术攻关，以提高我国在船用输油臂领域的 研发水平，逐步减小与国外的差距。 1 2 船用输油臂的主要特点、主要结构形式及组成、适用范围 1 2 1 船用输油臂的主要特点 船用输油臂作为一种码头船用流体输送设备，和以往的装卸软管相比，其有以下优 息： ( 1 ) 作业效率高。可以根据码头的实际需求，泊位作业能力的大小，配备规格和数 量相当的船用输油臂，使码头的作业能力得到最大的利用。 ( 2 ) 自动化程度高，在作业过程中控制系统可以通过遥控来实现，减少入力的使用。 ( 3 ) 作业安全性高，由于作业过程中很少使用人力，进而降低了作业的危险性，同 时，一些配套安全装置的使用也确保了船舶在出现意外时，能及时与设备脱离，确保船 舶及设备的安全。 尽管如此，和传统的软管作业相比，其也有投资大、码头基础条件要求高、建设周 期长等不足，但作为技术进步的表现，船用输油臂的广泛应用已成为必然趋势。 1 t 2 2 船用输油臂的主要结构形式及组成 船用输油臂按照结构不同，根据其9 0 。弯头是否受力可分为自立支撑式船用输油臂 和独立支撑式船用输油臂。按照其口径的大小可分为0 1 0 0 至0 6 0 0 不同规格型号。按 照输送介质的性质不同，可分为普通输油臂和特种输油臂。但总的来讲，一般都根据结 构来分类，因为无论何种规格j 何种性质输油臂在主体结构上基本相同，本文将按照结 构分类对输油臂作以介绍。 ( 1 ) 自立支撑式船用输油臂主要结构及组成 大连理工大学硕士研究生学位论文 自立支撑式船用输油臂，其9 0 。弯头不仅是输送介质原件，同时也承载了很大的载 荷，尤其是中间部分的9 0 。弯头承载了整个内外臂及平衡系统的重量，受力相当大，因 此，中间旋转接头和9 0 。弯头是自立支撑式船用输油臂结构中最为重要的部件，对整个 输油臂的设计制造起着决定性的作用。 自立支撑式船用输油臂和独立支撑式输油臂相比，其有结构简单、外形美观、驱动 系统简单，使用可靠性高，密封性能好，安装精度易控制等优点，但同时也有一些不足， 由于旋转接头及9 0 。弯头受力较大，在选材和制造方面的要求较高，同时在更换密封件 时难度较大，制造成本较高。 自立支撑式船用输油臂主要由下列部件构成：基础立柱、内臂、外臂、旋转接头、 平衡系统、绳轮系统、锁紧装置、液压驱动系统、限位装置、真空断流器、电气绝缘装 置、可调支腿等。 基础立柱：基础立柱承载了输油臂的全部重量，通过立柱下端的连接底板将输油臂 安装在码头前沿的基础上，通过下端的连接法兰将输油臂与陆域油品输送工艺管线相 连。 内臂：通过连接法兰与中间旋转接头相联接，支撑着外臂及平衡系统和绳轮系统的 全部重量。 外臂通过内臂头部连接法兰与内臂相联接，利用绳轮系统与配重系统相平衡。 旋转接头：每台输油臂包含6 套旋转接头，以满足输油臂在空间可以实现三维运动。 平衡系统：由配重和绳轮系统组成，可调整的副配重安装在配重梁上，通过连接到 上部绳轮上的钢索与外臂平衡，主配重安装在内臂的延长臂上，用于平衡整个输油臂。 绳轮系统：由上绳轮、下绳轮及钢丝绳组成，实现内、外臂与配重之间平衡负载之 间的传递。 锁紧装置：每台输油臂配备两套缩紧装置，在输油臂不工作时，确保输油臂处于收 容状态，外臂锁紧装置安装在中间平台上，内臂锁紧装置安装在内臂的下端。 液压驱动系统：每台输油臂配备三套液压组件，分别驱动内臂、外臂和水平旋转运 动。液压缸可通过液压控制台进行操作。 限位装置：每台输油臂都装有3 套限位装置，以确保输油臂在规定的范围内作业， 当超出作业范围时，输油臂会自动报警，控制系统会自动停止运动。 真空断流器：安装于输油臂内臂顶端的阀门，打开后与大气连通，破坏外臂真空并 加速外臂重力排空，当扫线时不希望空气混入输送介质时，不应使用真空断流器，应使 用吹扫系统。 审5 船耀输漓臂鲍硬究与应用 电气绝缘装置：电气绝缘装置一般安装于三向旋转接头与外臂连接法兰处，防止船 体与输油臂之间由于电压差而产生电流，以防产生电火花而发生危险。 可调支褪：安装在兰向旋转接头鲶下部，尤其是大型船用输漓臂，可调支腿的使用 可以极大的减小船舶连接法兰的受力。 圈1 1窦立支撑式船用输油蒜 f i g1 1 t h ei n c o r p o r a t es u p p o r t i n gm a r i n el o a d i n ga r m ( 2 ) 独立支撑式船用输油臂 独立支撑式船用输油臂与叁立支撑式船用输油臂相毖，其最主要的特点是在输油臂 的9 0 。弯头连接处多加设一个9 0 。的弯板，9 0 。的弯板取代9 0 4 弯头而承载。由于9 0 。弯头 不受力，进丽，在更换密封件时+ 分方便，僵密封间隙不好调整，加工难度较大，经常 有渗漏现象，但制造成本低，其结构组成与自立支撑式船用输油臂基本相同，主要由下 列部件构成：基础立柱、内臂、外臂、旋转轴承、9 0 9 的弯扳、平衡系统。绳轮系统、锁 大连理工大学硕士研究生学位论文 紧装置、液压驱动系统、限位装置、真空断流器。电气绝缘装置、可调支腿等。和自立 支撑式输油臂相比较，仅多了9 0 。的弯板、同时旋转部分改为旋转轴承，较旋转接头简 单许多。各个部件的作用与自立支撑式输油臂完全相同。 图1 2 独立支撑式船用输油臂 j f i g1 2 t h es e p a r a t es u p p o r t i n gm a r i n el o a d i n ga r m 1 2 3 船用输油臂的适用范围凸1 船用输油臂一般用于油码头输送原油及成品油，在一些液体化工码头，通过提供电 拌热、蒸汽拌热等处理工艺后，带保温层的输油臂可以用来输送非常温的流体，通过提 供管线内衬p t f e 、p v c 等处理后，输油臂可以用来输送有腐蚀性的流体。不管是何种 船用输油臂都有它的适用工作范围，只有在其工作范围内输油臂才能够正常作业。输油 臂工作包络示意图如下： 图1 3 船用输油臂的适用范围 f i g1 3 t h ew o r k i n gs c o p eo fm a r i n el o a d i n ga r m 牵5 0 0 熊雳竣潘譬匏研究与痤震 对接区域：该区域为立体空闻，输油鹫与船舶在此区域蠹实现对接，该送域由船舶 集管的摄大和最小退距、船舶的尺度、以及潮位等因素所确定。 工作区域：在此区域内，输油臂处于与船舷傈持连接，进行装卸俸监，在此区域肉 输油臂的六个旋转接头自由度能随船舶自e l j 飘移而不致发生危险。 报警区域：在此区域内，输油臂的报警系统启动，向操作员发出声光报警信号， 操作员关闭船端和岸端的阀门，停止流体的输送。如果输油臂配有紧急脱离系统，在第 二级报警系统启动后，防溢双球阀关闭并切断输油臂与船舶的连接，输油臂向上抬起后， 锁定在安全位置，避免船舷继续飘移拉坏输油臂。 1 3 课题简介 1 3 1 课题来源及选题的必要性 大连港是我国北方重要港口，也是东北亚航运中心建设的核心。大连港油品码头公 司作为大连港集团下属的全资予公司，近年来已经成为大连港集团最大的利润来源，每 年为大连创造近2 亿元的利润。同时作为阂家战略储备油基地，其也为国民经济的发展 起着保驾护航的作用。 随着国际油运市场的快速发展，大连港虽然在2 0 0 4 年已建成3 0 万吨级油码头，码 头前沿安装有4 台( 9 4 0 0 船用输漓营，缓解了码头作业压力。但随着油品运输船舶的大 型化，码头的作业效率明显降低，即使用2 台0 4 0 0 船用输油臂同时作业，装卸一条3 0 万吨级油船仍需要2 天的时间，为了进一步提高码头的作业效率，大连港集翻计划再建 设一个新3 0 万吨级油码头，其靠泊能力可以达到5 0 万吨，可以停靠目前世界上最大的 油运船舶，同时码头前沿计划采用4 台( 9 5 0 0 船用输油臂进行装卸作业。为了实现这一 露标，本着培养锻炼本港豹设计、旄工队伍，降低王程成本的目的。由大连港技术工程 部牵头，由大连港机械公司，大连港设计研究院，大连港新港港务公司组成了科技攻关 小组，共同开发和研制0 5 0 0 船用输油臂，以满足大连港发展的需求。 1 3 2 课题主要研究的内容及目的 本课题将以大连港薪3 0 万吨级油码头0 5 0 0 船用输油臂开发与应蔫为课题，重点研 究0 5 0 0 船用输油臂的中间旋转接头及输油臂本体结构的设计，同时对输油臂的液压控 制系统及电器控制系统进行了设计，对输油譬的性能试验进行了设计和对系统维护和故 障进行了分析。最终要达到0 5 0 0 船用输油臂实现国产化的嗣的。 一g 大连理工大学硕士研究生学位论文 20 5 0 0 船用输油臂中间旋转接头的设计研究 2 1 旋转接头的功能概述 2 1 1 旋转接头作用及要求 旋转接头是输油臂结构中最为关键的部件，其如同人体的活动关节，人体的每一个 动作都需要关节的运动来完成一样。输油臂的三大部件立柱、内臂、外臂就是依靠 旋转接头的的连接和运动，才能够完成正常作业。同时，为了使输油臂能够与船舶顺利 实现对接，在外臂的头部，还需有一套三向旋转接头，以确保输油臂的外端在一定范围 内具有空间三维可动性。因此，旋转接头性能的优劣直接影响着整台输油臂的使用性能。 对于旋转接头而言，其最基本的要求就是要转动灵活，能够顺利完成输油臂的每一个动 作，在此基础上，其还要有高的强度、高的耐磨性、高的耐腐蚀性和良好的密封性，这 些要求对于旋转接头都是必不可少的。 2 1 2 旋转接头的技术发展饰1 为了不断提高旋转接头的质量，国外众多企业一直都在不断的进行探索和研究。比 较著名的有德国c o n n e x 公司、英国的a k e r k v a e m e r 公司、法国的f m c 公司和日本 新泻公司。前两个公司采用的是独立支承结构形式，这种结构对于旋转接头的要求比较 低，主要利用旋转接头的转动性能，利用一般的大轴承即可，但总体结构较复杂，多了 一套专门用于承载的弯板结构，而且加工制作难度大，密封性较差，旋转接头的使用寿 命短，但更换比较方便。后两个公司采用的是自支承结构形式，这种结构对于旋转接头 的要求比较高，旋转接头不仅是转动件，同时还是承载件，因此其旋转接头一般都是自 主研制的，这种结构最大的优点是结构紧凑，外形简洁美观，同时其使用寿命长，密封 性能好，但更换旋转接头比较麻烦。 在我们国家，众多输油臂生产厂家也对输油臂的旋转接头进行着研究，尤其是自支 撑结构形式旋转接头的研究已经取得了很大的进步，先后已经进行了四代更新，旋转接 头的性能已经达到了国际先进水平。最早一代的旋转接头只是利用一般的2 0 钢材料经 过普通的热处理淬火加工而成，其强度和表面硬度都达不到要求，使用寿命很短。第二 代旋转接头还是利用一般的2 0 钢材料经过渗碳渗氮处理后加工而成，应该说其滚道硬 度和耐磨性有了很大提高，使用寿命也有提高，但其耐腐蚀性及强度还是不行。第三代 旋转接头是利用2 0 c r m o 材料在滚道表面堆焊不锈钢材料后加工而成。应该说其各项性 能指标远远优于前两代。第四代旋转接头是利用2 0 c r m o 材料在滚道表面堆焊一种硬质 合金材料后加工而成，其在滚道硬度、耐磨性及抗腐蚀性方面比第三代又有很大提高， 毒5 船震输涌鸳的研究鸟应耀 其使用寿命可达l o 年以上，这也是君前输油臂使用的旋转接头。下圈为船用输油臂旋 转接头结构组成图。 l 螺捡2 法兰 3o 型整数匿 5 螺母6 井龋7 球堵 9 钢球1 0 耐磨、耐腐不锈钢堆焊滕 1 2o 登密封豳1 3 耐磨、耐腐不锈钢堆焊艨 1 5 y 型塞嚣匿 图2 1 船用输油臀旋转接头结构组成 f i g2 1 t h er o t a t i o nj o i n to f m a r i n el o a d i n g a r m 2 20 5 0 0 船用输油臂中间旋转接头设计方案的确定 毒痰卷 8 油杯 1 1 密封圈挡嘲 1 4 导流环 2 2 1 方案的比较与确定 从鋈前国态努输油嚣既发展实际来看，输油鹫的旋转接头主要有两种结构形式，鼯 独立支承支撑结构和自支承结构形式。两种结构形式的优缺点也比较明显。独立支承支 撑结构形式主要优点是旋转接头的要求比较低，制作难度较小，由于其有单独的承载弯 板，旋转接头的更换比较容易，其主要缺点是由于其多了一套弯板结构，输油臂的外形 显得复杂，加工难度加大，渗漏点增多，密封性较差，同时由于旋转接头只是普通的轴 承材质，耐密耐腐蚀较差，故其使震寿命较短。宣支承结构形式最圭要靛优点就是结构 大连理工大学硕士研究生学位论文 紧凑，输油臂的外形美观，从使用角度来看，质量可靠，使用寿命长，密封性能好，其 主要不足是旋转接头的加工制作工艺比较复杂，旋转接头的更换比较困难。从目前市场 的使用情况来看，用户多倾向于使用自支撑结构形式的输油臂。此次巾5 0 0 输油臂的研 究主要是结合大连港新3 0 万吨级原油码头建设项目而进行，由于我港已经熟练掌握自 支承结构旋转接头的制造技术，从我港多年的使用情况来看，效果十分良好，所以此次 巾5 0 0 输油臂旋转接头的结构形式仍采用自支承结构形式。 2 2 2 旋转接头基本参数的确定 根据大连港新3 0 万吨级原油码头的设计技术要求，并结合巾5 0 0 输油臂应适用的工 作船舶的相关参数的要求，按照输油臂的设计规范，确定巾5 0 0 输油臂的主要参数如表 2 1 。 表2 1 输油臂参数 t a b 2 1p a r a m e t e ro f l o a d i n ga r l l l 名称参数 输油臂内径 输油臂外径 外伸臂相对内臂最大摆动角 完成最大摆动角所需时间 内臂摆动角( 以垂直线为基准) 完成内臂最大摆动角所需时间 内、+ 外臂水平回转角度 水平回转速度 主平衡配重重量 副平衡配重重量 输送效率流速 工作对象 适用船型 圣5 0 6 m m 垂5 3 0 m m 1 1 2 0 3 2 s 后仰2 1 0 ，下俯9 0 。 5 5 s ：1 ：3 0 。( 可多台同时使用) 0 3 4 r r a i n 1 5 5 6 k g 1 1 5 4 5 k g v - - 9 r n s ，流量q = 6 0 0 0 m 3 h 原油( 平均比重0 8 6 ) 15 0 0 0 0 - 4 5 0 0 0 0 d w t 2 30 5 0 0 船用输油臂中间旋转接头的设计t 7 - 1 0 输油臂旋转接头承受的载荷主要包括自重、风载、管道内部油压、地震载荷、雪载 等，为简化计算，这里只考虑对回转接头影响较大的自重和风载，自重载荷主要包括： 三向接头重量，外伸臂重量，头部接头重量，内臂重量，下绳轮重量，副配重重量，主 配重重量。风载即为上述部件所受的风载荷。具体如图2 2 ，图2 3 。 巾5 0 0 船用输油臂的研究与应用 图2 2巾5 0 0 输油臂旋转接头结构图 f i g 2 2 r o t a t i o ns t r u c t u r eo f 由5 0 0m a r i n el o a d i n ga r m m - - 5 1 0 5 2 4 n m 一一、 图2 3 旋转接头受力图 f i g 2 3 f o r c e so fr o t a t i o n 2 3 1 轴承内外圈强度设计计算 由于水平旋转接头的受力情况比竖直平面内的回转接头的受力情况要恶劣，下面以 水平回转接头为例进行轴承的强度计算和接触应力计算，轴承的内圈沟底直径所在平面 为危险截面，如图2 3 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 4 内圈结构示意图 f i g 2 4 i n n e rs t r u c t u r eo fr o t a t i o nj o i n t 此截面面积a = t r ( d 2 - d 2 ) 4 = 7 6 8 9 7 舢n 2 抗弯截面摩量w _ ( d 4 d 4 ) ( 3 2 d ) - - - - 9 7 4 3 5 8 6 删m 3 轴向力f 。簋= 3 2 1 0 0 0 n 弯矩m = 51 0 5 2 4 n m 内圈截面应力。= 丝w + 等= 5 3 7 9 n i m m 2 【仃】= 1 1 8 嘣( 安全系数n - 2 ) 满足强度要求 2 3 2 轴承连接螺栓的设计计算 螺栓承载分布情况如图2 3 。 图2 5 螺栓承载分布 f i g 2 5 b o l tl o a dd i s t r i b u t i o n 1 3 耷5 0 0 船用输油臂的研究与应用 螺栓承受最大载荷计算 y z - 3 s , 姗y 2 = 1 0 2 m my 3 - - 1 9 5 w y 4 = 3 0 3 m my s - 1 8 r a m y 6 - , = s 2 6 r m y t - e l g m my s - 6 s 6 , my 9 = 7 2 1 m m y m a 麓- 7 2 l 咖 m = 5 1 0 5 2 4 n m p 眦= 惫蝴5 虬 螺栓直径的d = 4 2 m m ，螺栓受应力 = 说p 丽r r l a x = 6 7 5 5 n m m 2 【盯】2 1 1 8 n 抽m 2 ( 安全系数n 2 ) 满足强度要求。 2 4 滚珠接触应力设计计算 由于输油臂回转接头的回转速度不高，这里按静载来处理。输油臂回转接头承受的 载荷包括了轴向力、径向力以及弯矩，受力状况很复杂，为了简化计算，赫兹理论做了 以下假设： ( 1 ) 接触区尺寸远比接触物体曲率半径小。 ( 2 ) 忽略接触副摩擦。 ( 3 ) 载荷区以外的材料是自由的。 ( 4 ) 所有的外力均可简化到同一轴向平面内。 根据以上假设并且不考虑变形对轴承负荷的影响忽略弯矩作用下轴承内外圈之间 的相对转角，可将受力情况等效分解为两种受力情况的迭加，如图2 4 。 图2 6 滚珠接触应力计算 f i g 2 6 b a l lc o n t a c ts t r e s sc a l c u l a t i o n 一目二工二邕 一酬一一一一一一一一一 坠 ： h 大连理工大学硕士研究生学位论文 当滚珠直径与节圆直径之比d w d o w - - - - 0 0 4 9 0 1 时，轴承的外圈承载能力较低，所 以这里只需校核外圈的接触应力即可。 2 4 1 设计计算的原始数据 单排滚珠承受的轴向力f 产1 0 7 0 0 0 n 单排滚珠承受的径向力f r = 5 2 2 6 1 n 回转接头承受的弯矩m = 51 0 5 2 4 n m 外侧两排滚珠间距l - - - - 0 2 m 由弯矩等效的径向力f r * - - m l = 2 5 5 2 6 2 0 n 滚珠直径d w = 3 0 16 3 r a m 单排滚珠数量z = 6 3 内、外圈滚道半径r i = r c = 1 5 5 3 4 内外圈滚道半径与滚珠直径比值的平均值f _ = o 5 1 5 由f r o = 0 5 1 5 查表可得： 接触变形系数e - = 4 2 2 3 x1 0 4 滚珠曲率p li = p l l f = 2 d w 卸0 6 6 3 1 外圈滚道横截面曲率p 2 l = 一0 0 6 4 3 8 外圈滚道纵截面曲率p 2 n = - - 0 。0 0 3 0 7 6 却 - p l i + p ln + p 2 i 印2 n - - 0 0 6 5 1 6 以内。南枷9 4 0 7 查表可得赫兹接触系数e i = o 0 9 0 8 1 ，e b = 0 0 0 9 7 0 4 ，岛= 0 0 0 0 1 6 7 9 2 4 2 轴向和径向载荷联合作用下的最大滚珠载荷q m “f 设计计算 对深沟球轴承来说，原始接触角a = o o ，设承载后的接触角为d ，则 t a n o ! i = 靠3 气去，。；4 = 0 3 0 6 4 协。 口：1 7 0 4 ，f , t a n a i ：0 1 4 9 7 j ： 查表得： - - - 2 9 8 5 5 ，为反映轴承内部钢球载荷分布的一个参数 j 。卸7 6 5 1 ，j 。为载荷分布的轴向积分 代入式( 2 1 ) 重复计算直到得到d 的收敛值为止， , 5 0 0 船用输油臂的研究与应用 d = 1 7 0 l 。，e - 2 9 8 8 ，j f o 7 6 5 4 ，s i n o = 0 2 9 2 5 q 懈= _ 卫_ 一= 7 5 8 6 n ，d xzxs i l l 口 2 4 3 弯矩单独作用下的最大滚珠载荷q m 。) c m 计算 、, t q 眦 ，= 等= 2 0 2 5 8 9 n 2 4 4 联合载荷作用下最大滚珠载荷 q 捌m a x f + q 眦) 【m = 2 1 0 1 7 5 n( 2 2 ) 2 4 5 接触面尺寸计算 滚珠与滚道内圈的接触面为椭圆， p - - 0 11 + a l i l 印2 i + a s l w - - 0 0 6 5 1 6 e e ：0 0 9 0 81 ，e b 产0 0 0 9 7 0 4 q n 幢x = 2 1 0 1 7 5 n 椭圆的长枇剐一参引3 笛3 8 删， 协3 ) 椭圆的短舶2 参旬躬3 8 删 协4 ， 2 4 6 最大滚珠接触应力计算 最大滚珠接触应力仃眦：1 5 垒等：5 2 8 1 n m m z ( 2 5 ) 对于深沟球轴承，与径向基本额定静载荷对应的接触应力值 o = 4 2 0 0 n m m 2 ，当 旋转速度较低时，允许将施加的载荷增加到额定静载荷的2 5 倍，即盯m “ ( 2 5 ) 仃】， 满足强度要求。 大连理工大学硕士研究生学位论文 30 5 0 0 船用输油臂本体结构的设计研究 3 1 输油臂本体结构概述 无论是独立支撑结构形式还是自支撑结构形式的输油臂，其本体结构主要都是由三 部分组成，即立柱部分，内臂部分和外臂部分其是输油臂的主要承载件，输油管道就 是以输油臂为载体沿着输油臂的立柱，再经过内臂，外臂，直到外臂的前端，通过外臂 前端的三向旋转接头与船舶实现对接，完成装卸作业任务。因此，对于输油臂的研究， 最主要的就是对本体结构的研究。 立柱部分是输油臂最下端的一部分，也是输油臂承载最大的部件，其支撑着内臂和 外臂部分的全部重量，因此立柱部分应有足够的强度和稳定性。其作用不仅要支撑内臂 和外臂，关键还有其连接作用，其下端的基础连接板与码头前沿的基础相连接，码头前 方的工艺管线通过其前端的连接法兰与立柱下端的连接法兰相连接，将油品通过立柱内 部的输油管道经中间旋转接头输送到内臂。 内臂部分是输油臂本体结构中最为关键的一部分。其一端通过中间旋转接头与立柱 相连接，另一端通过头部旋转接头与外臂相连接，将油品通过其支撑的输油管道从立柱 输送到外臂。其主要作用不仅是连接了立柱和外臂。最主要的是在其尾部通过绳轮机构 组成的平衡系统支撑了外臂的重量，使输油臂在作业过程中无论处于何种位置，外臂始 终处于平衡状态，进而极大的减小了外臂运行的阻力。 外臂部分是输油臂本体结构中较为简单的一部分，其上部通过头部旋转接头与内臂 相连接，下部通过三向旋转接头与船舶实现对接，其主要作用是将油品通过其支撑的输 油管道输送到油轮。由于其前端通过三向旋转接头直接与油轮相连接，为了防止船舶产 生的静电转移到输油臂的本体产生意外，在其前端与三向旋转接头之间还加有一套静电 绝缘法兰。 3 2 输油臂本体结构方案确定 此次9 5 0 0 输油臂的开发与研究主要是结合大连港新3 0 万吨级原油码头建设项目而 进行，由于我港已经熟练掌握自支承结构形式输油臂的制造技术，目前大连港油品码头 使用的输油臂均为自支承结构形式输油臂，从我港多年的使用情况来看，效果十分良好， 所以此次巾5 0 0 输油臂原则上仍采用自支承结构形式。同时，在0 4 0 0 输油臂成功研发 的基础上，充分借鉴1 2 1 4 0 0 输油臂研发的经验，0 5 0 0 输油臂主体结构与0 4 0 0 输油臂基 本相似，输油管道的口径油0 4 0 0 加大到0 5 0 0 ，相应的结构尺寸根据码头的条件和适用 船型进行了相应的设计，相应的部位进行了加强设计。 审5 0 0 船用输油臂的研究与应用 由于新3 0 万吨级原油码头0 5 0 0 输油臂为新研发产品，按计划试制1 台，替换原3 0 万吨原油码