500輸油臂的研究與應(yīng)用 機械專業(yè)碩士學(xué)位論文

專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文?500輸油臂的研究與應(yīng)用TheResearchandApplicationof?500LoadingArm作者姓名：學(xué)科、專業(yè)：機械工程學(xué)號：指導(dǎo)教師：完成日期：2008年10月大連理工大學(xué)DalianUniversity

大連理工大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明作者鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果，也不包含其他已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。若有不實之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。學(xué)位論文題目：作者簽名：日期：年月日-PAGEVIII--PAGEI-摘要隨著國內(nèi)外油品碼頭建設(shè)設(shè)步伐的加快，船用輸油臂作為油品碼頭裝卸作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備也有了更高的要求，為了進一步提高國產(chǎn)船用輸油臂的研發(fā)水平，振興民族工業(yè)，本文在結(jié)合大連港新30萬噸級油品碼頭建設(shè)工程項目的基礎(chǔ)上，對?500船用輸油臂進行了開發(fā)和研究。本文通過對國內(nèi)外船用輸油臂發(fā)展概況的介紹，結(jié)合目前國內(nèi)船用輸油臂的發(fā)展實際和發(fā)展趨勢，運用有關(guān)力學(xué)知識對?500船用輸油臂的關(guān)鍵部件——中間旋轉(zhuǎn)接頭及輸油臂本體鋼結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計計算。同時，對?500船用輸油臂的液壓控制系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)進行了介紹，編制了與?500船用輸油臂設(shè)計相關(guān)的試車大綱和使用說明書。在本研究的基礎(chǔ)上，大連港?500船用輸油臂已經(jīng)順利地完成了制造和調(diào)試工作，并且已經(jīng)投入了使用，各項數(shù)據(jù)均達到了設(shè)計要求，碼頭的作業(yè)效率顯著提高，得到了用戶的高度評價。本文的研究為國內(nèi)?500船用輸油臂的開發(fā)提供了計算理論依據(jù)，填補了目前國內(nèi)在大口徑船用輸油臂開發(fā)領(lǐng)域的空白，也為國內(nèi)下一步在大口徑輸油臂的制造領(lǐng)域打下了基礎(chǔ)。同時，本文對船用輸油臂的發(fā)展趨勢進行了分析，為進一步提高國內(nèi)船用輸油臂的發(fā)展水平指引了方向。關(guān)鍵詞：船用輸油臂；旋轉(zhuǎn)接頭；本體結(jié)構(gòu)-PAGEVII-TheResearchandApplicationof?500LoadingArmAbstractWiththerapiddevelopmentofyardbuildingforoiltransportationinternalandoverseas,Asthemostimportantequipment,Themarineloadingarmisalsorequiredmorehighercapacity.Inordertoimprovethetechnicallevelfortheresearchofourhomegrownmarineloadingarmanddevelopournationalindustry,BasedontheprojectofDaLianPortnew300,000oilyardthearticleisstudyingthe?500MarineLoadingArmThroughgenerallyintroductionofthedevelopmentofMarineLoadingArminlandandoutland,Basedonthecurrenttechnicaldevelopingleverandtendencethearticleisapplyingrelevantmechanicstocalculateandanalysistherotation-jointandbodystructureof?500MarineLoadingArm.Atthesametime,thearticleintroduceshydraulicandelectriccontrolsystemof?500MarineLoadingArmtous.Itisalsoincludingrelevantcommissioningprécisandusingmanual.Basedonthisarticlethe?500MarineLoadingArmhasbeenmanufacturedandpassedtesting,AlldatahasreacheddesignrequirementIthasbeenusedbytheport,italsohasbroughttheobvioushigherworkefficiency,Ithasreceivedhighappraisement.Thestudyinthisarticlecanprovideusefultheoreticalproofsonthedevelopmentof?500MarineLoadingArminland.ItsuppliesagaponthedevelopmentofbiggersizeMarineLoadingArminland.ItalsolaysafoundationofmanufacturebiggersizeMarineLoadingArminland.Arm.Atthesametime,thearticlegivesusanalysisonthefuturetendenceofthedevelopmentofMarineLoadingArmItwillleadsustoarightdirectionKeyWords:MarineLoadingArm;Rotation-joint;bodystructure目錄摘要 IAbstract III1緒論 -1-1.1國內(nèi)外船用輸油臂的發(fā)展概 -1-1.1.1國外船用輸油臂的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢 -1-1.1.2國內(nèi)船用輸油臂的發(fā)展概況與差距 -3-1.2船用輸油臂的主要特點、主要結(jié)構(gòu)形式及組成、適用范圍 -4-1.2.1船用輸油臂的主要特點 -4-1.2.2船用輸油臂的主要結(jié)構(gòu)形式及組成 -4-1.2.3船用輸油臂的適用范圍 -6-1.3課題簡介 -7-1.3.1課題來源及選題的必要性 -7-1.3.2課題主要研究的內(nèi)容及目的 -8-2?500船用輸油臂中間旋轉(zhuǎn)接頭的設(shè)計研究 -9-2.1旋轉(zhuǎn)接頭的功能概述 -9-2.2?500船用輸油臂中間旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計方案的確定 -10-2.2.2旋轉(zhuǎn)接頭基本參數(shù)的確定 -10-2.3?500船用輸油臂中間旋轉(zhuǎn)接頭的設(shè)計[5-11] -11-2.3.1軸承內(nèi)外圈強度設(shè)計計算 -11-2.3.2軸承連接螺栓的設(shè)計計算 -12-2.4滾珠接觸應(yīng)力設(shè)計計算 -13-2.4.1設(shè)計計算的原始數(shù)據(jù) -14-2.4.2軸向和徑向載荷聯(lián)合作用下的最大滾珠載荷QmaxF設(shè)計計算 -14-2.4.3彎矩單獨作用下的最大滾珠載荷QmaxM計算 -15-2.4.4聯(lián)合載荷作用下最大滾珠載荷 -15-2.4.5接觸面尺寸計算 -15-2.4.6最大滾珠接觸應(yīng)力計算 -15-3?500船用輸油臂本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究 -16-3.1輸油臂本體結(jié)構(gòu)概述 -16-3.2.1主要性能參數(shù) -17-3.2.2主要結(jié)構(gòu)尺寸 -18-3.3設(shè)計條件 -18-3.4設(shè)計計算[8-14] -19-3.4.1結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性設(shè)計計算 -19-3.4.2平衡配重設(shè)計計算 -23-3.4.3驅(qū)動功率設(shè)計計算 -24-4?500船用輸油臂液壓控制系統(tǒng)研究 -27-4.1概述 -27-4.2原30萬噸級油碼頭液壓控制系統(tǒng)主參數(shù) -27-4.3 系統(tǒng)壓力調(diào)定 -30-4.4操作方法 -30-4.5維護和注意事項 -31-4.6易損零件 -32-5?500船用輸油臂電氣控制系統(tǒng)研究 -33-5.1船用輸油臂電氣控制系統(tǒng)概述 -33-5.2?500船用輸油臂電氣控制系統(tǒng)原理圖 -33-5.3?500船用輸油臂電氣控制系統(tǒng)操作程序 -38-5.3.1操作前的檢查 -38-5.3.2操作 -38-電控操作箱功能開關(guān)使用說明 -38-遙控操作（正常操作） -38-手動操作 -39-6?500船用輸油臂整機性能試驗設(shè)計[3] -41-6.1總則 -41-6.2主要性能參數(shù)和尺寸 -41-6.3廠內(nèi)試驗大綱 -41-6.3.1總則 -41-6.3.2電氣試驗 -41-6.3.3機械性能試驗 -41-6.3.4液壓系統(tǒng)試驗 -42-6.3.5超限報警開關(guān)動作檢查 -42-6.3.6速度試驗 -43-6.3.7超載試驗 -43-6.3.8測量泵站防爆電動機的穩(wěn)態(tài)電流和電壓 -43-6.3.9測量尺寸 -43-6.3.10測量硬度 -43-6.3.11漆膜厚度測量 -43-6.4現(xiàn)場試驗大綱 -44-6.4.1總則 -44-6.4.2電氣、機械及液壓系統(tǒng)性能試驗 -44-6.4.3速度實驗 -44-6.4.4超限報警開關(guān)性能試驗 -44-6.4.5工作循環(huán)時間試驗 -44-6.4.6連續(xù)工作試驗 -44-6.4.7加壓試驗 -45-6.5檢查和試驗結(jié)果 -45-6.5.1電氣試驗—絕緣阻抗試驗 -45-6.5.2機械及液壓系統(tǒng)性能試驗 -45-7?500船用輸油臂使用說明書 -49-7.1概述 -49-7.2主要性能參數(shù)和尺寸 -49-7.2.1主要性能參數(shù)（見表3.1） -49-7.2.2主要尺寸（見表3.2） -49-7.3主要結(jié)構(gòu)性能 -49-7.4操作程序 -51-7.4.1手動操作部分 -51-7.4.2電動操作部分 -51-7.4.3遙控控制部分 -52-7.5故障檢修 -52-7.6維修和保養(yǎng) -54-7.6.1機械部分檢查維修表 -54-7.6.2 液壓及電氣系統(tǒng)檢查維修表 -55-結(jié)論與展望 -56-參考文獻 -57-致謝 -64-大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 -65-66-67-1緒論船用輸油臂是一種安裝在碼頭前沿，用于連接陸域液體介質(zhì)輸送工藝管線與作業(yè)船舶的一種港口裝卸作業(yè)設(shè)備，其主要用于輸送原油、成品油及一些液體化工產(chǎn)品。其設(shè)計上的獨特性，確保了設(shè)備具有空間三維可動性，能夠阿滿足船舶在不同的潮汐，吃水條件下安全作業(yè)，同時也能夠適應(yīng)由于涌浪所造成的船體不規(guī)則運動。因此，近年來該設(shè)備在國內(nèi)外眾多油品及液體化工碼頭得到了廣泛的應(yīng)用。船用輸油臂的應(yīng)用在提高碼頭的作業(yè)效率，提高作業(yè)的自動化程度，提高船舶作業(yè)的安全性以及降低作業(yè)人員的勞動強度和操作危險性等方面發(fā)揮著及其重要的作用。已經(jīng)成為現(xiàn)代化的油品及液體化工碼頭裝卸作業(yè)中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。我國在船用輸油臂的研發(fā)和利用領(lǐng)域與國外相比差距較大，在80年代以前很少有油品碼頭使用船用輸油臂進行裝卸船作業(yè)，即使在20世紀80年代初期，少數(shù)碼頭使用的輸油臂也完全從國外進口。我國對輸油臂的研發(fā)開始于20世紀80年代中期，最早的一臺輸油臂是由早期的大連工學(xué)院與大連港合作為大連港新港油品碼頭制造。雖然我國在船用輸油臂的研發(fā)領(lǐng)域起步較晚，但隨著改革開放的不斷深入，尤其是近年來，隨著國際原油市場的飛速發(fā)展，國內(nèi)油品碼頭建設(shè)步伐也隨之加快，我國在船用輸油臂的研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域也有了飛速的發(fā)展，基本上實現(xiàn)了輸油臂的國產(chǎn)化。輸油臂研發(fā)也逐步走向大型化，控制系統(tǒng)也由手動、電動發(fā)展到遙控，在使用安全性方面，很多輸油臂都逐步配置了緊急脫離裝置，在作業(yè)過程中出現(xiàn)緊急狀態(tài)時能夠確保設(shè)備的安全，在操作安全便利性方面，很多輸油臂都逐步配置了液動快速接頭。操作更為安全方便。雖說如此，但我們在船用輸油臂的研發(fā)方面較國外還有一定的差距，主要表現(xiàn)在大型輸油臂研發(fā)落后，目前國內(nèi)自制的船用輸油臂最大口徑僅為?400，而國外早在70年代就有?600的產(chǎn)品。在緊急脫離裝置及液動快速接頭研究方面差距更大，目前國內(nèi)使用的均為進口產(chǎn)品，盡管在國內(nèi)有專利申請，但沒有一個實用產(chǎn)品，在這方面國外仍處于壟斷狀態(tài)。1.1國內(nèi)外船用輸油臂的發(fā)展概1.1.1國外船用輸油臂的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢在國外船用輸油臂的發(fā)展已經(jīng)有50多年的歷史，發(fā)展到今天，整個船用輸油臂的國際市場幾乎已被幾個早期的老牌公司所壟斷，許多小型生產(chǎn)企業(yè)已逐步退出了該領(lǐng)域。其中比較著名的公司包括法國的FMCTechnologies公司，英國的Woodfield公司以及日本新瀉鐵工所。法國的FMCTechnologies公司是目前世界上船用輸油臂制造領(lǐng)域第一大公司，占有全球50%以上的市場，其先后在世界范圍內(nèi)生產(chǎn)制造船用輸油臂8000多臺。其在1956年制造出世界上第一臺船用輸油臂，并在1963年生產(chǎn)出世界上第一臺LNG船用輸油臂[1]，在1969年生產(chǎn)出目前世界上最大口徑的船用輸油臂，輸送口徑達到600mm。尤其是近年來，其發(fā)展速度顯著加快，這無疑得益于世界油品碼頭建設(shè)的提速，其無論在技術(shù)，生產(chǎn)能力還是市場占有率方面均處于世界領(lǐng)先地位。其在2006年青島港油港公司4臺16寸船用輸油的公開招標中，一舉拿下近兩千萬元的項目，依靠的就是其領(lǐng)先的技術(shù)水平，并且順利的打開了中國的市場大門。英國的Woodfield公司也是一家傳統(tǒng)的船用輸油臂制造公司，其幾乎與FMC公司在船用輸油臂制造領(lǐng)域同時起步，目前在國際市場上也占有一定的市場份額，其同樣可以生產(chǎn)?100到?600各種規(guī)格型號的船用輸油臂，其主要的優(yōu)勢在于特種船用輸油臂的生產(chǎn)，比如用于輸送化工原料LNG、LPG以及其他的低溫流體，其輸送介質(zhì)的溫度范圍可達到零下164度至零上200度，同時期還可以生產(chǎn)用于輸送具有腐蝕性的化工產(chǎn)品的船用輸油臂。日本新瀉鐵工所也是一家傳統(tǒng)的船用輸油臂制造公司，其在早些年甚至與FMC公司并駕齊驅(qū)，占有很大市場份額。尤其是在80年代初就進入中國市場，中國早期的船用輸油臂幾乎都從日本進口，但近年來，由于其在技術(shù)方面已落后于FMC公司，并且在國際市場上沒有價格優(yōu)勢，已逐步開始下滑，但其在船用輸油臂關(guān)鍵部件——旋轉(zhuǎn)接頭的密封技術(shù)上仍舊處于領(lǐng)先位置，這主要得益于其先進的加工技術(shù)和優(yōu)良的材質(zhì)性能。除此之外，國外還有一些原來生產(chǎn)船用輸油臂的企業(yè)已逐步退出該市場，轉(zhuǎn)而研究船用輸油臂的關(guān)鍵部件。比如意大利的IMB公司現(xiàn)在已成為輸油臂旋轉(zhuǎn)接頭、緊急脫離裝置和液動快速接頭的的專業(yè)生產(chǎn)廠家，而且其在該技術(shù)方面的研究處于世界絕對領(lǐng)先位置，進而也產(chǎn)生了很大的附加值，比如一套16寸船用輸油臂的緊急脫離裝置的價格甚至高于整臺設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的價格。隨著國際原油市場的飛速發(fā)展，船用輸油臂的發(fā)展也日趨加快，技術(shù)水平也不斷提高。其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）隨著油品碼頭建設(shè)及由品運輸船舶建造的大型化，為了提高碼頭的作業(yè)效率，船用輸油臂的發(fā)展也日趨大型化。尤其是近年來中國的油品碼頭建設(shè)步伐很快，繼2004年大連港30萬噸級油品碼頭建成投產(chǎn)以來，青島港也在2006年建成30萬噸級油品碼頭，天津港也在2007年將原有的15萬噸級油品碼頭改造成30萬噸級油品碼頭，大連港已立項建設(shè)新30萬噸級油品碼頭，其實際靠泊能力可達到50萬，可以滿足現(xiàn)有世界上最大的油船靠泊。因此，船用輸油臂的大型化已成為必然趨勢，尤其是在中國，未來會有很大的市場潛力。（2）隨著液壓及電子技術(shù)的發(fā)展，船用輸油臂的控制系統(tǒng)將會越來越先進。早期的輸油臂因為型號小，運行阻力小，手動即可實現(xiàn)操作。隨著船用輸油臂的加大，手動操作已很難實現(xiàn)，進而出現(xiàn)了液壓控制系統(tǒng)操作，目前已發(fā)展到遙控操作。隨著液壓及電子技術(shù)的不斷提高，可以想象將來的控制系統(tǒng)會更加簡單可靠，操作會更加便利。（3）隨著需求的發(fā)展，船用輸油臂的安全性也會逐步的提高，緊急脫離裝置會得到廣泛的應(yīng)用。目前，船用輸油臂的緊急脫離裝置技術(shù)在國外已經(jīng)很成熟，由于價格原因目前并沒有廣泛應(yīng)用，但從設(shè)備的安全性以及新技術(shù)的應(yīng)用角度來考慮，緊急脫離裝置必然會得到應(yīng)用和推廣。（4）從操作方便、安全角度來考慮，液動快速接頭在不久的將來也一定會得到廣泛的應(yīng)用。與此同時，隨著船用輸油臂的大型化，人工對接也變得更加困難、甚至于無法實現(xiàn)順利對接，同時操作也很不安全，因此，液動快速接頭在慣犯引用也是一種必然趨勢。1.1.2國內(nèi)船用輸油臂的發(fā)展概況與差距國內(nèi)對船用輸油臂的研究較國外起步很晚，我國在20世紀80年代才開始對船用輸油臂進行研究，最早的一臺輸油臂是在1985年由早期的大連工學(xué)院與大連港合作為大連港新港油品碼頭設(shè)計制造。隨著我國油品碼頭建設(shè)步伐的加快，我國在船用輸油臂的研究領(lǐng)域也飛速發(fā)展，逐步形成了一些較有規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)。主要有大連港機械廠，連云港遠洋流體裝卸設(shè)備有限公司等。盡管我國在船用輸油臂的研究領(lǐng)域起步較晚，但發(fā)展速度卻十分迅速，目前，國產(chǎn)輸油臂包括?100到?400各種規(guī)格型號，操作也可以根據(jù)需求實現(xiàn)手動、液動和遙控，基本上滿足了目前國內(nèi)油品碼頭的生產(chǎn)需求。而且，在國內(nèi)，由于價格上的優(yōu)勢，國產(chǎn)船用輸油臂基本上壟斷了國內(nèi)市場。大連港機械廠在20世紀80年代初期就開始對船用輸油臂進行研究，并在1985年研制出國內(nèi)第一臺船用輸油臂，在1993年研制出國內(nèi)第一臺12寸船用輸油臂，在2003年研制出國內(nèi)最大口徑的?400自立支撐式船用輸油臂，也是目前國內(nèi)最大口徑的輸油臂。船用輸油臂作為該廠的主導(dǎo)產(chǎn)品，已在國內(nèi)生產(chǎn)制造200余臺，在環(huán)渤海區(qū)域占有較大的市場。連云港遠洋流體裝卸設(shè)備有限公司對船用輸油臂的研究起步較晚，20世紀90年代中期才開始船用輸油臂的研究與制造。但作為一家專業(yè)生產(chǎn)輸油臂的廠家，其近年來在國內(nèi)的發(fā)展速度十分迅速，低廉的價格已使其占有了80%的國內(nèi)市場[2]，其在輸油臂研發(fā)方面也有很大的發(fā)展，但目前仍有很大的局限，最大口徑僅為?400，在緊急脫離裝置及液動快速接頭方面的研究還是空白。但正是其的發(fā)展，使得目前在連云港地區(qū)出現(xiàn)了許多船用輸油臂的生產(chǎn)廠家，從另一個方面帶動了國內(nèi)船用輸油臂的發(fā)展。盡管我國在船用輸油臂的研發(fā)方面取得了一定的成績，但與國外相比仍有很大的差距。主要表現(xiàn)在大型船用輸油臂的研發(fā)、特種船用輸油臂的研發(fā)（用于輸送具有腐蝕性的化工產(chǎn)品，、高溫及低溫流體等）以及輸油臂的緊急脫離裝置和液動快速接頭的研發(fā)等方面。因此，在國產(chǎn)輸油臂的研發(fā)方面，我們還有很多工作要做，作為船用輸油臂生產(chǎn)廠家，我們必須組織專門的技術(shù)人員進行技術(shù)攻關(guān)，以提高我國在船用輸油臂領(lǐng)域的研發(fā)水平，逐步減小與國外的差距。1.2船用輸油臂的主要特點、主要結(jié)構(gòu)形式及組成、適用范圍1.2.1船用輸油臂的主要特點船用輸油臂作為一種碼頭船用流體輸送設(shè)備，和以往的裝卸軟管相比，其有以下優(yōu)點：（1）作業(yè)效率高。可以根據(jù)碼頭的實際需求，泊位作業(yè)能力的大小，配備規(guī)格和數(shù)量相當?shù)拇幂斢捅郏勾a頭的作業(yè)能力得到最大的利用。（2）自動化程度高，在作業(yè)過程可以控制系統(tǒng)來遙控實現(xiàn)，減少人力的使用。（3）作業(yè)安全性高，由于作業(yè)過程中很少使用人力，進而降低了作業(yè)的危險性，同時，一些配套安全裝置的使用也確保了船舶在出現(xiàn)意外時，能及時與設(shè)備脫離，確保船舶及設(shè)備的安全。盡管如此，和傳統(tǒng)的軟管作業(yè)相比其也有投資大、碼頭基礎(chǔ)條件要求高、建設(shè)周期長等不足，但作為技術(shù)進步的表現(xiàn)，船用輸油臂的廣泛應(yīng)用已成為必然趨勢。1.2.2船用輸油臂的主要結(jié)構(gòu)形式及組成船用輸油臂按照結(jié)構(gòu)不同，根據(jù)其90?彎頭是否受力可分為自立支撐式船用輸油臂和獨立支撐式輸油臂。按照其口徑的大小可分為?100至?600寸不同規(guī)格型號。按照輸送介質(zhì)的性質(zhì)不同，可分為普通輸油臂和特種輸油臂。但總的來講，一般都根據(jù)結(jié)構(gòu)來分類，因為無論何種規(guī)格、何種性質(zhì)輸油臂在主體結(jié)構(gòu)上基本相同，本文將按照結(jié)構(gòu)分類對輸油臂作以介紹。（1）自立支撐式船用輸油臂主要結(jié)構(gòu)及組成[3]自立支撐式船用輸油臂其90?彎頭不僅是輸送介質(zhì)原件，同時也承載了很大的載荷，尤其是中間部分的90?彎頭承載了整個內(nèi)外臂及平衡系統(tǒng)的重量，受力相當大，因此，中間旋轉(zhuǎn)接頭和90?彎頭是自立支撐式船用輸油臂結(jié)構(gòu)中最為重要的部件，對整個輸油臂的設(shè)計制造起著決定性的作用。自立支撐式船用輸油臂和獨立支撐式輸油臂相比，其有結(jié)構(gòu)簡單、外形美觀、驅(qū)動系統(tǒng)簡單，使用可靠性高，密封性能好，安裝精度易控制等優(yōu)點，但同時也有一些不足，由于旋轉(zhuǎn)接頭及90?彎頭受力較大，在選材和制造方面的要求較高，同時在更換密封件時難度較大，制造成本較高。自立支撐式船用輸油臂主要由下列部件構(gòu)成:基礎(chǔ)立柱、內(nèi)臂、外臂、旋轉(zhuǎn)接頭、平衡系統(tǒng)、繩輪系統(tǒng)、鎖緊裝置、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、限位裝置、真空斷流器、電氣絕緣裝置、可調(diào)支腿等?；A(chǔ)立柱：基礎(chǔ)立柱承載了輸油臂的全部重量，通過立柱下端的連接底板將輸油臂安裝在碼頭前沿的基礎(chǔ)上，通過下端的連接法蘭將輸油臂與陸域油品輸送工藝管線相連。內(nèi)臂：通過連接法蘭與中間旋轉(zhuǎn)接頭相聯(lián)接，支撐著外臂及平衡系統(tǒng)和繩輪系統(tǒng)的全部重量。外臂通過內(nèi)臂頭部連接法蘭與內(nèi)臂相聯(lián)接，利用繩輪系統(tǒng)與配重系統(tǒng)相平衡。旋轉(zhuǎn)接頭：每臺輸油臂包含6套旋轉(zhuǎn)接頭，以滿足輸油臂在空間可以實現(xiàn)三維運動。平衡系統(tǒng)：由配重和繩輪系統(tǒng)組成，可調(diào)整的副配重安裝在配重梁上，通過連接到上部繩輪上的鋼索與外臂平衡，主配重安裝在內(nèi)臂的延長臂上，用于平衡整個輸油臂。繩輪系統(tǒng)：由上繩輪、下繩輪及鋼絲繩組成，實現(xiàn)內(nèi)、外臂與配重之間平衡負載之間的傳遞。鎖緊裝置：每臺輸油臂配備兩套縮緊裝置，在輸油臂不工作時，確保輸油臂處于收容狀態(tài)，外臂鎖緊裝置安裝在中間平臺上，內(nèi)臂鎖緊裝置安裝在內(nèi)臂的下端。液壓驅(qū)動系統(tǒng)：每臺輸油臂配備三套液壓組件，分別驅(qū)動內(nèi)臂、外臂和水平旋轉(zhuǎn)運動。液壓缸可通過液壓控制臺進行操作。限位裝置：每臺輸油臂都裝有3套限位裝置，以確保輸油臂在規(guī)定的范圍內(nèi)作業(yè)，當超出作業(yè)范圍時，輸油臂會自動報警，控制系統(tǒng)會自動停止運動。真空斷流器：安裝于輸油臂內(nèi)臂頂端的閥門，打開后與大氣連通，破壞外臂真空并加速外臂重力排空，當掃線時不希望空氣混入輸送介質(zhì)時，不應(yīng)使用真空斷流器，應(yīng)使用吹掃系統(tǒng)。電氣絕緣裝置：電氣絕緣裝置一般安裝于三向旋轉(zhuǎn)接頭與外臂連接法蘭處，防止船體與輸油臂之間由于電壓差而產(chǎn)生電流，以防產(chǎn)生電火花而發(fā)生危險。可調(diào)支腿：安裝在三向旋轉(zhuǎn)接頭的下部，尤其是大型船用輸油臂，可調(diào)支腿的使用可以極大的減小船舶連接法蘭的受力。（2）獨立支撐式船用輸油臂[4]獨立支撐式船用輸油臂與自立支撐式船用輸油臂相比，其最主要的特點是在輸油臂的90?彎頭連接處多加設(shè)一個90?的彎板，90?的彎板取代90?彎頭而承載。由于90?彎頭不受力，進而，在更換密封件時十分方便，但密封間隙不好調(diào)整，加工難度較大，經(jīng)常有滲漏現(xiàn)象，但制造成本低，其結(jié)構(gòu)組成與自立支撐式船用輸油臂基本相同，主要由下列部件構(gòu)成:基礎(chǔ)立柱、內(nèi)臂、外臂、旋轉(zhuǎn)軸承、90?的彎板、平衡系統(tǒng)。繩輪系統(tǒng)、鎖緊裝置、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、限位裝置、真空斷流器。電氣絕緣裝置、可調(diào)支腿等。和自立支撐式輸油臂相比較，僅多了90?的彎板、同時旋轉(zhuǎn)部分改為旋轉(zhuǎn)軸承，較旋轉(zhuǎn)接頭簡單許多。各個部件的作用與自立支撐式輸油臂完全相同。1.2.3船用輸油臂的適用范圍船用輸油臂一般用于油碼頭輸送原油及成品油，在一些液體化工碼頭，通過提供電拌熱、蒸汽拌熱等處理工藝后，帶保溫層的輸油臂可以用來輸送非常溫的流體，通過提供管線內(nèi)襯PTFE、PVC等處理后，輸油臂可以用來輸送有腐蝕性的流體。不管是何種船用輸油臂都有它的適用工作范圍，只有在其工作范圍內(nèi)輸油臂才能夠正常作業(yè)。輸油臂工作包絡(luò)示意圖如下：

對接區(qū)域:該區(qū)域為一立體空間,輸油臂與船舶在此區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)對接,該區(qū)域由船舶集管的最大和最小退距、船舶的尺度、以及潮位等因素所確定。工作區(qū)域：在此區(qū)域內(nèi)，輸油臂處于與船舶保持連接，進行裝卸作業(yè),在此區(qū)域內(nèi)輸油臂的六個旋轉(zhuǎn)接頭自由度能隨船舶自由飄移而不致發(fā)生危險。報警區(qū)域：在此區(qū)域內(nèi)，輸油臂的報警系統(tǒng)啟動，向操作員發(fā)出聲/光報警信號，操作員關(guān)閉船端和岸端的閥門，停止流體的輸送。如果輸油臂配有緊急脫離系統(tǒng)，在第二級報警系統(tǒng)啟動后，防溢雙球閥關(guān)閉并切斷輸油臂與船舶的連接，輸油臂向上抬起后，鎖定在安全位置，避免船舶繼續(xù)飄移拉壞輸油臂。1.3課題簡介1.3.1課題來源及選題的必要性大連港是我國北方重要港口，也是東北亞航運中心建設(shè)的核心。大連港油品碼頭公司作為大連港集團下屬的全資子公司，近年來已經(jīng)成為大連港集團最大的利潤來源，每年為大連創(chuàng)造近2億元的利潤。同時作為國家戰(zhàn)略儲備油基地，其也為國民經(jīng)濟的發(fā)展起著保駕護航的作用。隨著國際油運市場的快速發(fā)展，大連港雖然在2004年已建成30萬噸級油碼頭，碼頭前沿安裝有4臺?400船用輸油臂，緩解了碼頭作業(yè)壓力。但隨著油品運輸船舶的大型化，碼頭的作業(yè)效率明顯降低，即使用2臺?400船用輸油臂同時作業(yè)，裝卸一條30萬噸級油船仍需要2天的時間，為了進一步提高碼頭的作業(yè)效率，大連港集團計劃再建設(shè)一個新30萬噸級油碼頭，其靠泊能力可以達到50萬噸，可以停靠目前世界上最大的油運船舶，同時碼頭前沿計劃采用4臺?500船用輸油臂進行裝卸作業(yè)。為了實現(xiàn)這一目標，本著培養(yǎng)鍛煉本港的設(shè)計、施工隊伍，降低工程成本的目的。由大連港技術(shù)工程部牽頭，由大連港機械公司，大連港設(shè)計研究院，大連港新港港務(wù)公司組成了科技攻關(guān)小組，共同開發(fā)和研制20寸船用輸油臂，以滿足大連港發(fā)展的需求。1.3.2課題主要研究的內(nèi)容及目的本課題將以大連港新30萬噸級油碼頭?500船用輸油臂開發(fā)與應(yīng)用為課題，重點研究?500船用輸油臂的中間旋轉(zhuǎn)接頭及輸油臂本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時對輸油臂的液壓控制系統(tǒng)及電器控制系統(tǒng)進行簡單的介紹，對與輸油臂有關(guān)的試車大綱和使用說明書進行了編制。最終要達到?500船用輸油臂實現(xiàn)國產(chǎn)化的目的。

2?500船用輸油臂中間旋轉(zhuǎn)接頭的設(shè)計研究2.1旋轉(zhuǎn)接頭的功能概述2.1.1旋轉(zhuǎn)接頭作用及要求旋轉(zhuǎn)接頭是輸油臂結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的部件，其如同人體的活動關(guān)節(jié)，人體的每一個動作都需要關(guān)節(jié)的運動來完成一樣。輸油臂的三大部件——立柱、內(nèi)臂、外臂就是依靠旋轉(zhuǎn)接頭的的連接和運動，才能夠完成正常作業(yè)。同時，為了使輸油臂能夠與船舶順利實現(xiàn)對接，在外臂的頭部，還需有一套三向旋轉(zhuǎn)接頭，以確保輸油臂的外端在一定范圍內(nèi)具有空間三維可動性。因此，旋轉(zhuǎn)接頭性能的優(yōu)劣直接影響著整臺輸油臂的使用性能。對于旋轉(zhuǎn)接頭而言，其最基本的要求就是要轉(zhuǎn)動靈活，能夠順利完成輸油臂的每一個動作，在此基礎(chǔ)上，其還要有高的強度、高的耐磨性、高的耐腐蝕性和良好的密封性，這些要求對于旋轉(zhuǎn)接頭都是必不可少的。2.1.2旋轉(zhuǎn)接頭的技術(shù)發(fā)展為了不斷提高旋轉(zhuǎn)接頭的質(zhì)量，國外眾多企業(yè)一直都在不斷的進行探索和研究。比較著名的有德國CONNEX公司、英國的AkerKvaerner公司、法國的FMC公司和日本新瀉公司。前兩個公司采用的是獨立支承結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)對于旋轉(zhuǎn)接頭的要求比較低，主要利用旋轉(zhuǎn)接頭的轉(zhuǎn)動性能，利用一般的大軸承即可，但總體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，多了一套專門用于承載的彎板結(jié)構(gòu)，而且加工制作難度大，密封性較差，旋轉(zhuǎn)接頭的使用壽命短，但更換比較方便。后兩個公司采用的是自支承結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)對于旋轉(zhuǎn)接頭的要求比較高，旋轉(zhuǎn)接頭不僅是轉(zhuǎn)動件，同時還是承載件，因此其旋轉(zhuǎn)接頭一般都是自主研制的，這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，外形簡潔美觀，同時其使用壽命長，密封性能好，但更換旋轉(zhuǎn)接頭比較麻煩。在我們國家，眾多輸油臂生產(chǎn)廠家也對輸油臂的旋轉(zhuǎn)接頭進行著研究，尤其是自支撐結(jié)構(gòu)形式旋轉(zhuǎn)接頭的研究已經(jīng)取得了很大的進步，先后已經(jīng)進行了四代更新，旋轉(zhuǎn)接頭的性能已經(jīng)達到了國際先進水平。最早一代的旋轉(zhuǎn)接頭只是利用一般的20鋼材料經(jīng)過普通的熱處理淬火加工而成，其強度和表面硬度都達不到要求，使用壽命很短。第二代旋轉(zhuǎn)接頭還是利用一般的20鋼材料經(jīng)過滲碳滲氮處理后加工而成，應(yīng)該說其滾道硬度和耐磨性有了很大提高，使用壽命也有提高，但其耐腐蝕性及強度還是不行。第三代旋轉(zhuǎn)接頭是利用20CrMo材料在滾道表面堆焊不銹鋼材料后加工而成。應(yīng)該說其各項性能指標遠遠優(yōu)于前兩代。第四代旋轉(zhuǎn)接頭是利用20CrMo材料在滾道表面堆焊一種硬質(zhì)合金材料后加工而成，其在滾道硬度、耐磨性及抗腐蝕性方面比第三代又有很大提高，其使用壽命可達10年以上，這也是目前輸油臂使用的旋轉(zhuǎn)接頭。2.2?500船用輸油臂中間旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計方案的確定2.2.1方案的比較與確定從目前國內(nèi)外輸油臂的發(fā)展實際來看，輸油臂的旋轉(zhuǎn)接頭主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，即獨立支承支撐結(jié)構(gòu)和自支承結(jié)構(gòu)形式。兩種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點也比較明顯。獨立支承支撐結(jié)構(gòu)形式主要優(yōu)點是旋轉(zhuǎn)接頭的要求比較低，制作難度較小，由于其有單獨的承載彎板，旋轉(zhuǎn)接頭的更換比較容易，其主要缺點是由于其多了一套彎板結(jié)構(gòu)，輸油臂的外形顯得復(fù)雜，加工難度加大，滲漏點增多，密封性較差，同時由于旋轉(zhuǎn)接頭只是普通的軸承材質(zhì)，耐磨耐腐蝕較差，故其使用壽命較短。自支承結(jié)構(gòu)形式最主要的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)緊湊，輸油臂的外形美觀，從使用角度來看，質(zhì)量可靠，使用壽命長，密封性能好，其主要不足是旋轉(zhuǎn)接頭的加工制作工藝比較復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)接頭的更換比較困難。從目前市場的使用情況來看，用戶多傾向于使用自支撐結(jié)構(gòu)形式的輸油臂。此次φ500輸油臂的研究主要是結(jié)合大連港新30萬噸級原油碼頭建設(shè)項目而進行，由于我港已經(jīng)熟練掌握自支承結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)接頭的制造技術(shù)，從我港多年的使用情況來看，效果十分良好，所以此次φ500輸油臂旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)形式仍采用自支承結(jié)構(gòu)形式。2.2.2旋轉(zhuǎn)接頭基本參數(shù)的確定根據(jù)大連港新30萬噸級原油碼頭的設(shè)計技術(shù)要求，并結(jié)合φ500輸油臂應(yīng)適用的工作船舶的相關(guān)參數(shù)的要求，按照輸油臂的設(shè)計規(guī)范，確定φ500輸油臂的主要參數(shù)如表2.1。表2.1輸油臂參數(shù)Tab.2.1Parameterofloadingarm名稱參數(shù)輸油臂內(nèi)徑Φ506mm輸油臂外徑Φ530mm外伸臂相對內(nèi)臂最大擺動角112°完成最大擺動角所需時間32s內(nèi)臂擺動角（以垂直線為基準）后仰21°，下俯90°完成內(nèi)臂最大擺動角所需時間55s內(nèi)、外臂水平回轉(zhuǎn)角度±30°（可多臺同時使用）水平回轉(zhuǎn)速度0.34r/min主平衡配重重量1556kg副平衡配重重量11545kg輸送效率流速V=9m/s，流量Q=6000m3/h工作對象原油（平均比重0.86）適用船型150000～450000DWT2.3?500船用輸油臂中間旋轉(zhuǎn)接頭的設(shè)計[5-11]輸油臂旋轉(zhuǎn)接頭承受的載荷主要包括自重、風(fēng)載、管道內(nèi)部油壓、地震載荷、雪載等，為簡化計算，這里只考慮對回轉(zhuǎn)接頭影響較大的自重和風(fēng)載，如圖2.1。圖2.1旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.1Rotationstructure2.3.1軸承內(nèi)外圈強度設(shè)計計算由于水平旋轉(zhuǎn)接頭的受力情況比豎直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)接頭的受力情況要惡劣，下面以水平回轉(zhuǎn)接頭為例進行軸承的強度計算和接觸應(yīng)力計算，軸承的內(nèi)圈溝底直徑所在平面為危險截面，如圖2.2。圖2.2水平結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.2Levelstructure此截面面積A＝76897mm2抗彎截面摩量W=9743586mm3軸向力Fa總=321000N彎矩M=510524N.m內(nèi)圈截面應(yīng)力<[σ]2.3.2軸承連接螺栓的設(shè)計計算螺栓承載分布情況如圖2.3。圖2.3螺栓承載分布Fig.2.3Boltloaddistribution螺栓承受最大載荷螺栓直徑的d=42mm,螺栓受應(yīng)力<[σ]滿足強度要求。2.4滾珠接觸應(yīng)力設(shè)計計算由于輸油臂回轉(zhuǎn)接頭的回轉(zhuǎn)速度不高，這里按靜載來處理。輸油臂回轉(zhuǎn)接頭承受的載荷包括了軸向力、徑向力以及彎矩，受力狀況很復(fù)雜，為了簡化計算，赫茲理論做了以下假設(shè)：（1）接觸區(qū)尺寸遠比接觸物體曲率半徑小。（2）忽略接觸副摩擦。（3）載荷區(qū)以外的材料是自由的。（4）所有的外力均可簡化到同一軸向平面內(nèi)。根據(jù)以上假設(shè)并且不考慮變形對軸承負荷的影響忽略彎矩作用下軸承內(nèi)外圈之間的相對轉(zhuǎn)角，可將受力情況等效分解為兩種受力情況的迭加，如圖2.4。圖2.4滾珠接觸應(yīng)力計算Fig.2.4Ballcontactstresscalculation當滾珠直徑與節(jié)圓直徑之比Dw/Dpw=0.049＜0.1時，軸承的外圈承載能力較低，所以這里只需校核外圈的接觸應(yīng)力即可。2.4.1設(shè)計計算的原始數(shù)據(jù)單排滾珠承受的軸向力Fa=107000N單排滾珠承受的徑向力Fr=52261N回轉(zhuǎn)接頭承受的彎矩M=510524N.m外側(cè)兩排滾珠間距L=0.2m由彎矩等效的徑向力Fr*＝M/L=2552620N滾珠直徑Dw=30.163mm單排滾珠數(shù)量Z=63內(nèi)、外圈滾道半徑ri=re=15.534內(nèi)外圈滾道半徑與滾珠直徑比值的平均值fm=0.515由fm=0.515查表可得：接觸變形系數(shù)c=4.223×10-4滾珠曲率ρ1Ⅰ＝ρ1Ⅱ＝2/Dw=0.06631外圈滾道橫截面曲率ρ2Ⅰ＝－0.06438外圈滾道縱截面曲率ρ2Ⅱ＝－0.003076Σρ＝ρ1Ⅰ+ρ1Ⅱ+ρ2Ⅰ+ρ2Ⅱ＝0.06516查表可得赫茲接觸系數(shù)ea=0.09081,eb=0.009704,eδ=0.00016792.4.2軸向和徑向載荷聯(lián)合作用下的最大滾珠載荷QmaxF設(shè)計計算對深溝球軸承來說，原始接觸角α＝0°，設(shè)承載后的接觸角為α'，則（2-1），查表得：ε＝2.9855，ε為反映軸承內(nèi)部鋼球載荷分布的一個參數(shù)Ja=0.7651,Ja為載荷分布的軸向積分代入式（2-1）重復(fù)計算直到得到α'的收斂值為止，α'＝17.01°，ε＝2.988，Ja=0.7654，sinα'＝0.29252.4.3彎矩單獨作用下的最大滾珠載荷QmaxM計算2.4.4聯(lián)合載荷作用下最大滾珠載荷Qmax=QmaxF+QmaxM=210175N（2-2）2.4.5接觸面尺寸計算滾珠與滾道內(nèi)圈的接觸面為橢圓，橢圓的長軸（2-3）橢圓的短軸（2-4）2.4.6最大滾珠接觸應(yīng)力計算最大滾珠接觸應(yīng)力（2-5）對于深溝球軸承，與徑向基本額定靜載荷對應(yīng)的接觸應(yīng)力值為[σ]＝4200N/mm2，當旋轉(zhuǎn)速度較低時，允許將施加的載荷增加到額定靜載荷的2-5倍，即σmax＜（2～5）[σ]，滿足強度要求。3?500船用輸油臂本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究3.1輸油臂本體結(jié)構(gòu)概述無論是獨立支撐結(jié)構(gòu)形式還是自支撐結(jié)構(gòu)形式的輸油臂，其本體結(jié)構(gòu)主要都是由三部分組成，即立柱部分，內(nèi)臂部分和外臂部分．其是輸油臂的主要承載件，輸油管道就是以輸油臂為載體沿著輸油臂的立柱，再經(jīng)過內(nèi)臂，外臂，直到外臂的前端，通過外臂前端的三向旋轉(zhuǎn)接頭與船舶實現(xiàn)對接，完成裝卸作業(yè)任務(wù)。因此，對于輸油臂的研究，最主要的就是對本體結(jié)構(gòu)的研究。立柱部分是輸油臂最下端的一部分，也是輸油臂承載最大的部件，其支撐著內(nèi)臂和外臂部分的全部重量，因此立柱部分應(yīng)有足夠的強度和穩(wěn)定性。其作用不僅要支撐內(nèi)臂和外臂，關(guān)鍵還有其連接作用，其下端的基礎(chǔ)連接板與碼頭前沿的基礎(chǔ)相連接，碼頭前方的工藝管線通過其前端的連接法蘭與立柱下端的連接法蘭相連接，將油品通過立柱內(nèi)部的輸油管道經(jīng)中間旋轉(zhuǎn)接頭輸送到內(nèi)臂。內(nèi)臂部分是輸油臂本體結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的一部分。其一端通過中間旋轉(zhuǎn)接頭與立柱相連接，另一端通過頭部旋轉(zhuǎn)接頭與外臂相連接，將油品通過其支撐的輸油管道從立柱輸送到外臂。其主要作用不僅是連接了立柱和外臂。最主要的是在其尾部通過繩輪機構(gòu)組成的平衡系統(tǒng)支撐了外臂的重量，使輸油臂在作業(yè)過程中無論處于何種位置，外臂始終處于平衡狀態(tài)，進而極大的減小了外臂運行的阻力。外臂部分是輸油臂本體結(jié)構(gòu)中較為簡單的一部分，其上部通過頭部旋轉(zhuǎn)接頭與內(nèi)臂相連接，下部通過三向旋轉(zhuǎn)接頭與船舶實現(xiàn)對接，其主要作用是將油品通過其支撐的輸油管道輸送到油輪。由于其前端通過三向旋轉(zhuǎn)接頭直接與油輪相連接，為了防止船舶產(chǎn)生的靜電轉(zhuǎn)移到輸油臂的本體產(chǎn)生意外，在其前端與三向旋轉(zhuǎn)接頭之間還加有一套靜電絕緣法蘭。3.2輸油臂本體結(jié)構(gòu)方案確定此次?500輸油臂的開發(fā)與研究主要是結(jié)合大連港新30萬噸級原油碼頭建設(shè)項目而進行，由于我港已經(jīng)熟練掌握自支承結(jié)構(gòu)形式輸油臂的制造技術(shù)，目前大連港油品碼頭使用的輸油臂均為自支承結(jié)構(gòu)形式輸油臂，從我港多年的使用情況來看，效果十分良好，所以此次φ500輸油臂原則上仍采用自支承結(jié)構(gòu)形式。同時，在?400輸油臂成功研發(fā)的基礎(chǔ)上，充分借鑒?400輸油臂研發(fā)的經(jīng)驗，?500輸油臂主體結(jié)構(gòu)與?400輸油臂基本相似，輸油管道的口徑油?400加大到?500，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)碼頭的條件和適用船型進行了相應(yīng)的設(shè)計，相應(yīng)的部位進行了加強設(shè)計。由于新30萬噸級原油碼頭?500輸油臂為新研發(fā)產(chǎn)品，按計劃試制1臺,替換原30萬噸原油碼頭上的一臺?400輸油臂，由于我港的輸油臂緊急脫離裝置正處于研發(fā)階段，本次輸油臂設(shè)計過程不考慮安裝緊急脫離裝置，?500輸油臂的性能應(yīng)能滿足新30萬噸級原油碼頭的裝卸需要。輸油臂的輸送介質(zhì)為原油。輸油臂的尺寸應(yīng)適用于最小150000DWT級，最大450000DWT級原油船舶。?500輸油臂應(yīng)能與原碼頭上的3臺?400輸油臂同時工作，也可以單獨工作。?500輸油臂主要由立柱、內(nèi)臂、外臂、旋轉(zhuǎn)接頭及快速接頭等組成。平衡系統(tǒng)采用雙平衡配重結(jié)構(gòu)形式。各機構(gòu)動作采用全液壓油缸驅(qū)動，由液壓及電氣系統(tǒng)集中控制。工作時，接通浮動閥，內(nèi)外臂能跟隨船舶做漂移運動。為了輸油臂的安全正常工作，在其上設(shè)有限位報警、靜電絕緣法蘭、橡皮絕緣軟性電纜等安全保護裝置。在內(nèi)臂尾部設(shè)有定位插銷，以使輸油臂在非工作狀態(tài)下安全停放。3.2.1主要性能參數(shù)輸油臂主要性能參數(shù)見表3.1。表3.1主要性能參數(shù)Tab.3.1mainparameter內(nèi)容參數(shù)輸油臂內(nèi)徑Φ506mm輸油臂外徑Φ530mm外伸臂相對內(nèi)臂最大擺動角112°完成最大擺動角所需時間32s內(nèi)臂擺動角（以垂直線為基準）后仰21°,下俯90°完成內(nèi)臂最大擺動角所需時間55s內(nèi)、外臂水平回轉(zhuǎn)角度±30°（可多臺同時使用）水平回轉(zhuǎn)速度0.34r/min主平衡配重重量1556kg副平衡配重重量11545kg輸送效率流速V=9m/s，流量Q=6000m3/h工作對象原油（平均比重0.86）,流量P=5160t/h泊位輸送效率20640/h(四臺工作時)適用船型150000～450000DWT驅(qū)動型式雙平衡全液壓驅(qū)動液壓系統(tǒng)額定壓力16MP額定電機功率4KW液壓泵型號CB-Fc10液壓油型號N46抗磨液壓油自重48163Kg輸油臂與船舶集油口連接型式快速聯(lián)結(jié)器驅(qū)動裝置,油缸額定推力外伸臂伸展,184.7KN內(nèi)臂擺動,184.7KN水平回轉(zhuǎn),146.4KN驅(qū)動型式油缸油缸數(shù)量13.2.2主要結(jié)構(gòu)尺寸輸油臂主要尺寸見表3.2。表3.2主要尺寸Tab.3.2Mainsize立柱高度12m內(nèi)臂長度外伸臂長度上、下繩輪名義直徑外伸臂拉索直徑12m13.8mΦ2400mmΦ64mm3.3設(shè)計條件1）碼頭面標高及潮位：碼頭面標高為+12.00m，設(shè)計高水位+4.06m，設(shè)計低水位+0.44m2）法蘭端面至船舶邊緣距離4.6m3）船舶縱向漂移量±4.6m，橫向漂移量3m4）輸油臂工作時，允許風(fēng)速為17m/s,非工作時，允許風(fēng)速為55m/s,本地區(qū)地震烈度7度。3.4設(shè)計計算[8-14]3.4.1結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性設(shè)計計算（1）外伸臂強度和剛度設(shè)計計算操作時，外伸臂處于水平狀態(tài)受力最不利，以此工況計算其強度和剛度。圖3.1Fig.3.1圖3.2Fig.3.2①強度設(shè)計計算σ=≤〔σ〕＝147N/mm2(安全系數(shù)n=1.6)（3-1）σⅠ==98N/mm2＜〔σ〕σⅡ==98N/mm2＜〔σ〕②剛度設(shè)計計算f=++≤〔f〕（3-2）fⅠ=+=28.25mmfⅡ=++=77.24mmfmax=fⅠ+fⅡ=28.25+77.24=105.49＜〔f〕（2）內(nèi)臂強度和剛度設(shè)計計算操作時，內(nèi)臂處于水平狀態(tài)受力最不利，以此工況計算其強度和剛度。圖3.3Fig.3.3圖3.4圖3.5Fig.3.4Fig.3.5①強度設(shè)計計算σ=+≤〔σ〕＝147N/mm2(安全系數(shù)n=1.6)正向彎矩作用下各截面應(yīng)力σⅠ1==98N/mm2σⅡ1==94N/mm2σⅢ1==114N/mm2σⅣ1==58N/mm2側(cè)向彎矩作用下各截面應(yīng)力σⅠ2==28N/mm2σⅡ2==33N/mm2σⅢ2==48N/mm2σⅣ2==50N/mm2＜〔σ〕側(cè)向壓力作用下各截面應(yīng)力σⅠ3==4N/mm2σⅡ3==3.8N/mm2σⅢ3==5.9N/mm2σⅣ3==6.4N/mm2各截面合應(yīng)力σⅠ=σⅠ1+σⅠ2-σⅠ3=122N/mm2＜〔σ〕σⅡ1=σⅡ1+σⅡ2-σⅡ3=123N/mm2＜〔σ〕σⅢ1=σⅢ1+σⅢ2-σⅢ3=121N/mm2＜〔σ〕σⅣ1=σⅣ1+σⅣ2-σⅣ3=72N/mm2＜〔σ〕②剛度設(shè)計計算f=++≤〔f〕正向力作用下?lián)隙萬Ⅱ1=+++=49.7mmfⅢ1=++=35.66mmfⅣ1=+=4.77mmf1=fⅡ1+fⅢ1+fⅣ1=49.7+35.66+4.77=90.13mm側(cè)向力作用下?lián)隙萬Ⅱ2==2.45mmfⅢ2==7.93mmfⅣ2==7.41mmf2=fA2+fB2+fC2=2.45+7.93+7.41=17.79mm內(nèi)臂最大撓度fmax==91.87mm（3-3）（3）立柱強度和穩(wěn)定性設(shè)計計算在非工作狀態(tài)下，立柱受自重及Ⅲ類風(fēng)載荷作用，受力最大，以此工況計算其強度及穩(wěn)定性。見圖3.5。①強度設(shè)計計算σ=+≤〔σ〕＝168N/mm2(安全系數(shù)n=1.4)式中：P=4.48×105N—計算壓力A=7.89×104mm2M=1.67×109Nmm—由自重及Ⅲ類風(fēng)載荷引起的彎矩W=1.09×107mm3代入上式得：σ=+=159N/mm2＜〔σ〕②穩(wěn)定性設(shè)計驗算彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性計算與偏心率ε及柔度λ有關(guān)，偏心率ε按下式計算：ε===26.98（3-4）柔度λ按下式計算：λ=，式中：μ＝2—長度系數(shù)，l=9500cm—長度。（3-5）λ===88.9按下式驗算穩(wěn)定性:σ=≤[σ]（3-6）式中：ψe=0.048—實腹式偏心受壓構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)的折減系數(shù)。[σ]=168N/mm2—許用壓應(yīng)力（安全系數(shù)n=1.4）代入上式得：σ==118N/mm2＜[σ]3.4.2平衡配重設(shè)計計算（1）平衡外伸臂的配重設(shè)計計算平衡外伸臂的配重重量應(yīng)能保證平衡配重至下繩輪旋轉(zhuǎn)中心軸的力矩值等于外伸臂繞上繩輪中心軸轉(zhuǎn)動的力矩值。即：M副配=M外伸臂式中：M副配─由副平衡配重產(chǎn)生的繞下繩輪軸心的力矩值。M外伸臂─由外伸臂產(chǎn)生的繞上繩輪軸心的力矩值M副配=G副配×3000+2.73×106M外伸臂=3.737×107Kgmm副配重重量G副配==11547Kg圖3.6圖3.7Fig.3.6Fig.3.7平衡整體的配重設(shè)計計算外伸臂的伸展運動平衡之后，尚須保證整體的平衡。由于布置的需要，平衡整體的配重重量應(yīng)能保證所有位于配重一側(cè)的重量對內(nèi)臂旋轉(zhuǎn)軸線的力矩等于另一側(cè)的所有重量對同一軸線產(chǎn)生的力矩值，即：∑M臂前=∑M臂后+M主配式中：∑M臂前=1.02×108∑M臂后=9.24×107M主配=G主×5600主配重重量G主==1714Kg3.4.3驅(qū)動功率設(shè)計計算在液壓驅(qū)動型輸油臂內(nèi)外臂及其整體旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動功率計算中，應(yīng)考慮下述各阻力因素，并使液壓裝置產(chǎn)生的驅(qū)動力矩大于諸阻力矩之和，再根據(jù)各機構(gòu)動作的時間，計算出輸油臂所需的總驅(qū)動功率。下面的計算過程是以水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動為例。應(yīng)考慮的諸阻力因素為：1)回轉(zhuǎn)接頭中的摩擦阻力矩。包括回轉(zhuǎn)支撐中的滾動摩擦阻力矩和密封形成的阻力矩，對水平回轉(zhuǎn)三排滾珠軸承,其摩擦阻力矩為：M摩=0.5fD(++)（3-7）式中：f=0.01—軸承摩擦系數(shù)D=620mm—軸承直徑Pj=7461N—徑向力Pz=360000N—軸向力Mqf=3.659×108Nmm—傾覆力矩β=20°—軸承的原始接觸角代入上式得：M摩=0.5×0.01×600×(++)=1.38×107Nmm密封裝置形成的摩擦力矩和密封過盈量、密封材質(zhì)、密封表面光潔度、密封處介質(zhì)的壓力等有關(guān)，此項阻力值在全部計算的阻力值中所占比例不大，初步估算中可取大值。M密=（1~1.5）d式中：d=62cm—密封裝置直徑M密=1.5×62=93kgm=9.11×105Nmm2)工作狀態(tài)下風(fēng)載荷形成的阻力矩M風(fēng)M風(fēng)=1.28×108Nmm3)起動時慣性阻力矩M慣M慣=Jα式中：J=1.21×106kg.m2α=0.007rad/s2—角加速度(按啟動時間5.2s，遠端速度0.62m/s確定)代入上式得：M慣=8.18×105Nmm4)液壓系統(tǒng)失靈時能自動復(fù)位的不平衡力矩M復(fù)此力矩在事故狀態(tài)下能使輸油臂克服正常風(fēng)阻力和軸承中的摩擦阻力而自動復(fù)位。M復(fù)=M摩+M密+M風(fēng)上述四項阻力矩之和為：∑M阻=（M摩+M密）+M風(fēng)+M慣+M復(fù)=2（M摩+M密+M風(fēng)）+M慣=2（1.38×107+9.11×105+1.22×107）+1.21×105=6.2×107Nmm應(yīng)使M驅(qū)＞∑M阻=6.2×107Nmm當選定液壓系統(tǒng)壓力后，即可根據(jù)以上的計算查相關(guān)油缸樣本，確定回轉(zhuǎn)驅(qū)動所需的液壓缸參數(shù)：壓力P=16Mpa，缸筒內(nèi)徑D=125mm,活塞桿直徑d=56mm,最大拉力140KN。驅(qū)動力矩M驅(qū)＝8.97×107Nmm＞∑M阻=6.2×107Nmm在確定了輸油臂的工作行程和工作循環(huán)時間以后，即可求得液壓系統(tǒng)所需流量。Q回轉(zhuǎn)=（D2-d2）×v×10-6L/min（3-8）式中：v=1159mm/min—活塞的平均速度，代入上式得：Q回轉(zhuǎn)=（1252-562）×1159×10-6=11.4L/min同樣可得：Q內(nèi)臂=10.88L/minQ外伸臂=9.58L/minQmax=11.4L/min輸油臂驅(qū)動電機功率為：N=KWP=16MPa—系統(tǒng)額定壓力η=0.81—泵的效率，代入上式得：N==3.74KW選用防爆電機型號YB112M-4，功率4KW,轉(zhuǎn)速n=1