專業學位碩士學位論文?500輸油臂的研究與應用TheResearchandApplicationof?500LoadingArm作者姓名：學科、專業：機械工程學號：指導教師：完成日期：2008年10月大連理工大學DalianUniversity

大連理工大學學位論文獨創性聲明作者鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經注明引用內容和致謝的地方外，本論文不包含其他個人或集體已經發表的研究成果，也不包含其他已申請學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，本人愿意承擔相關法律責任。學位論文題目：作者簽名：日期：年月日-PAGEVIII--PAGEI-摘要隨著國內外油品碼頭建設設步伐的加快，船用輸油臂作為油品碼頭裝卸作業的關鍵設備也有了更高的要求，為了進一步提高國產船用輸油臂的研發水平，振興民族工業，本文在結合大連港新30萬噸級油品碼頭建設工程項目的基礎上，對?500船用輸油臂進行了開發和研究。本文通過對國內外船用輸油臂發展概況的介紹，結合目前國內船用輸油臂的發展實際和發展趨勢，運用有關力學知識對?500船用輸油臂的關鍵部件——中間旋轉接頭及輸油臂本體鋼結構進行了設計計算。同時，對?500船用輸油臂的液壓控制系統及電氣控制系統進行了介紹，編制了與?500船用輸油臂設計相關的試車大綱和使用說明書。在本研究的基礎上，大連港?500船用輸油臂已經順利地完成了制造和調試工作，并且已經投入了使用，各項數據均達到了設計要求，碼頭的作業效率顯著提高，得到了用戶的高度評價。本文的研究為國內?500船用輸油臂的開發提供了計算理論依據，填補了目前國內在大口徑船用輸油臂開發領域的空白，也為國內下一步在大口徑輸油臂的制造領域打下了基礎。同時，本文對船用輸油臂的發展趨勢進行了分析，為進一步提高國內船用輸油臂的發展水平指引了方向。關鍵詞：船用輸油臂；旋轉接頭；本體結構-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國內外船用輸油臂的發展概 -1-1.1.1國外船用輸油臂的發展概況與發展趨勢 -1-1.1.2國內船用輸油臂的發展概況與差距 -3-1.2船用輸油臂的主要特點、主要結構形式及組成、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構形式及組成 -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課題主要研究的內容及目的 -8-2?500船用輸油臂中間旋轉接頭的設計研究 -9-2.1旋轉接頭的功能概述 -9-2.2?500船用輸油臂中間旋轉接頭設計方案的確定 -10-2.2.2旋轉接頭基本參數的確定 -10-2.3?500船用輸油臂中間旋轉接頭的設計[5-11] -11-2.3.1軸承內外圈強度設計計算 -11-2.3.2軸承連接螺栓的設計計算 -12-2.4滾珠接觸應力設計計算 -13-2.4.1設計計算的原始數據 -14-2.4.2軸向和徑向載荷聯合作用下的最大滾珠載荷QmaxF設計計算 -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最大滾珠接觸應力計算 -15-3?500船用輸油臂本體結構的設計研究 -16-3.1輸油臂本體結構概述 -16-3.2.1主要性能參數 -17-3.2.2主要結構尺寸 -18-3.3設計條件 -18-3.4設計計算[8-14] -19-3.4.1結構強度及穩定性設計計算 -19-3.4.2平衡配重設計計算 -23-3.4.3驅動功率設計計算 -24-4?500船用輸油臂液壓控制系統研究 -27-4.1概述 -27-4.2原30萬噸級油碼頭液壓控制系統主參數 -27-4.3 系統壓力調定 -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研究 -33-5.1船用輸油臂電氣控制系統概述 -33-5.2?500船用輸油臂電氣控制系統原理圖 -33-5.3?500船用輸油臂電氣控制系統操作程序 -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計[3] -41-6.1總則 -41-6.2主要性能參數和尺寸 -41-6.3廠內試驗大綱 -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液壓系統試驗 -42-6.3.5超限報警開關動作檢查 -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態電流和電壓 -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現場試驗大綱 -44-6.4.1總則 -44-6.4.2電氣、機械及液壓系統性能試驗 -44-6.4.3速度實驗 -44-6.4.4超限報警開關性能試驗 -44-6.4.5工作循環時間試驗 -44-6.4.6連續工作試驗 -44-6.4.7加壓試驗 -45-6.5檢查和試驗結果 -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主要性能參數和尺寸 -49-7.2.1主要性能參數（見表3.1） -49-7.2.2主要尺寸（見表3.2） -49-7.3主要結構性能 -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 -54-7.6.1機械部分檢查維修表 -54-7.6.2 液壓及電氣系統檢查維修表 -55-結論與展望 -56-參考文獻 -57-致謝 -64-大連理工大學學位論文版權使用授權書 -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輸送工藝管線與作業船舶的一種港口裝卸作業設備，其主要用于輸送原油、成品油及一些液體化工產品。其設計上的獨特性，確保了設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，同時也能夠適應由于涌浪所造成的船體不規則運動。因此，近年來該設備在國內外眾多油品及液體化工碼頭得到了廣泛的應用。船用輸油臂的應用在提高碼頭的作業效率，提高作業的自動化程度，提高船舶作業的安全性以及降低作業人員的勞動強度和操作危險性等方面發揮著及其重要的作用。已經成為現代化的油品及液體化工碼頭裝卸作業中不可缺少的關鍵設備。我國在船用輸油臂的研發和利用領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，即使在20世紀80年代初期，少數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領域起步較晚，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展，國內油品碼頭建設步伐也隨之加快，我國在船用輸油臂的研發及應用領域也有了飛速的發展，基本上實現了輸油臂的國產化。輸油臂研發也逐步走向大型化，控制系統也由手動、電動發展到遙控，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，在作業過程中出現緊急狀態時能夠確保設備的安全，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方面較國外還有一定的差距，主要表現在大型輸油臂研發落后，目前國內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，目前國內使用的均為進口產品，盡管在國內有專利申請，但沒有一個實用產品，在這方面國外仍處于壟斷狀態。1.1國內外船用輸油臂的發展概1.1.1國外船用輸油臂的發展概況與發展趨勢在國外船用輸油臂的發展已經有50多年的歷史，發展到今天，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，許多小型生產企業已逐步退出了該領域。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生產制造船用輸油臂8000多臺。其在1956年制造出世界上第一臺船用輸油臂，并在1963年生產出世界上第一臺LNG船用輸油臂[1]，在1969年生產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，其發展速度顯著加快，這無疑得益于世界油品碼頭建設的提速，其無論在技術，生產能力還是市場占有率方面均處于世界領先地位。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，依靠的就是其領先的技術水平，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?100到?600各種規格型號的船用輸油臂，其主要的優勢在于特種船用輸油臂的生產，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，同時期還可以生產用于輸送具有腐蝕性的化工產品的船用輸油臂。日本新瀉鐵工所也是一家傳統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，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，由于其在技術方面已落后于FMC公司，并且在國際市場上沒有價格優勢，已逐步開始下滑，但其在船用輸油臂關鍵部件——旋轉接頭的密封技術上仍舊處于領先位置，這主要得益于其先進的加工技術和優良的材質性能。除此之外，國外還有一些原來生產船用輸油臂的企業已逐步退出該市場，轉而研究船用輸油臂的關鍵部件。比如意大利的IMB公司現在已成為輸油臂旋轉接頭、緊急脫離裝置和液動快速接頭的的專業生產廠家，而且其在該技術方面的研究處于世界絕對領先位置，進而也產生了很大的附加值，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備鋼結構的價格。隨著國際原油市場的飛速發展，船用輸油臂的發展也日趨加快，技術水平也不斷提高。其發展趨勢主要表現在以下幾個方面：（1）隨著油品碼頭建設及由品運輸船舶建造的大型化，為了提高碼頭的作業效率，船用輸油臂的發展也日趨大型化。尤其是近年來中國的油品碼頭建設步伐很快，繼2004年大連港30萬噸級油品碼頭建成投產以來，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的發展，船用輸油臂的控制系統將會越來越先進。早期的輸油臂因為型號小，運行阻力小，手動即可實現操作。隨著船用輸油臂的加大，手動操作已很難實現，進而出現了液壓控制系統操作，目前已發展到遙控操作。隨著液壓及電子技術的不斷提高，可以想象將來的控制系統會更加簡單可靠，操作會更加便利。（3）隨著需求的發展，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用。目前，船用輸油臂的緊急脫離裝置技術在國外已經很成熟，由于價格原因目前并沒有廣泛應用，但從設備的安全性以及新技術的應用角度來考慮，緊急脫離裝置必然會得到應用和推廣。（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國內船用輸油臂的發展概況與差距國內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院與大連港合作為大連港新港油品碼頭設計制造。隨著我國油品碼頭建設步伐的加快，我國在船用輸油臂的研究領域也飛速發展，逐步形成了一些較有規模的生產企業。主要有大連港機械廠，連云港遠洋流體裝卸設備有限公司等。盡管我國在船用輸油臂的研究領域起步較晚，但發展速度卻十分迅速，目前，國產輸油臂包括?100到?400各種規格型號，操作也可以根據需求實現手動、液動和遙控，基本上滿足了目前國內油品碼頭的生產需求。而且，在國內，由于價格上的優勢，國產船用輸油臂基本上壟斷了國內市場。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年研制出國內第一臺船用輸油臂，在1993年研制出國內第一臺12寸船用輸油臂，在2003年研制出國內最大口徑的?400自立支撐式船用輸油臂，也是目前國內最大口徑的輸油臂。船用輸油臂作為該廠的主導產品，已在國內生產制造200余臺，在環渤海區域占有較大的市場。連云港遠洋流體裝卸設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。但作為一家專業生產輸油臂的廠家，其近年來在國內的發展速度十分迅速，低廉的價格已使其占有了80%的國內市場[2]，其在輸油臂研發方面也有很大的發展，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。但正是其的發展，使得目前在連云港地區出現了許多船用輸油臂的生產廠家，從另一個方面帶動了國內船用輸油臂的發展。盡管我國在船用輸油臂的研發方面取得了一定的成績，但與國外相比仍有很大的差距。主要表現在大型船用輸油臂的研發、特種船用輸油臂的研發（用于輸送具有腐蝕性的化工產品，、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等方面。因此，在國產輸油臂的研發方面，我們還有很多工作要做，作為船用輸油臂生產廠家，我們必須組織專門的技術人員進行技術攻關，以提高我國在船用輸油臂領域的研發水平，逐步減小與國外的差距。1.2船用輸油臂的主要特點、主要結構形式及組成、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備，和以往的裝卸軟管相比，其有以下優點：（1）作業效率高。可以根據碼頭的實際需求，泊位作業能力的大小，配備規格和數量相當的船用輸油臂，使碼頭的作業能力得到最大的利用。（2）自動化程度高，在作業過程可以控制系統來遙控實現，減少人力的使用。（3）作業安全性高，由于作業過程中很少使用人力，進而降低了作業的危險性，同時，一些配套安全裝置的使用也確保了船舶在出現意外時，能及時與設備脫離，確保船舶及設備的安全。盡管如此，和傳統的軟管作業相比其也有投資大、碼頭基礎條件要求高、建設周期長等不足，但作為技術進步的表現，船用輸油臂的廣泛應用已成為必然趨勢。1.2.2船用輸油臂的主要結構形式及組成船用輸油臂按照結構不同，根據其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寸不同規格型號。按照輸送介質的性質不同，可分為普通輸油臂和特種輸油臂。但總的來講，一般都根據結構來分類，因為無論何種規格、何種性質輸油臂在主體結構上基本相同，本文將按照結構分類對輸油臂作以介紹。（1）自立支撐式船用輸油臂主要結構及組成[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?彎頭承載了整個內外臂及平衡系統的重量，受力相當大，因此，中間旋轉接頭和90?彎頭是自立支撐式船用輸油臂結構中最為重要的部件，對整個輸油臂的設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，其有結構簡單、外形美觀、驅動系統簡單，使用可靠性高，密封性能好，安裝精度易控制等優點，但同時也有一些不足，由于旋轉接頭及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成:基礎立柱、內臂、外臂、旋轉接頭、平衡系統、繩輪系統、鎖緊裝置、液壓驅動系統、限位裝置、真空斷流器、電氣絕緣裝置、可調支腿等。基礎立柱：基礎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。內臂：通過連接法蘭與中間旋轉接頭相聯接，支撐著外臂及平衡系統和繩輪系統的全部重量。外臂通過內臂頭部連接法蘭與內臂相聯接，利用繩輪系統與配重系統相平衡。旋轉接頭：每臺輸油臂包含6套旋轉接頭，以滿足輸油臂在空間可以實現三維運動。平衡系統：由配重和繩輪系統組成，可調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，主配重安裝在內臂的延長臂上，用于平衡整個輸油臂。繩輪系統：由上繩輪、下繩輪及鋼絲繩組成，實現內、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，外臂鎖緊裝置安裝在中間平臺上，內臂鎖緊裝置安裝在內臂的下端。液壓驅動系統：每臺輸油臂配備三套液壓組件，分別驅動內臂、外臂和水平旋轉運動。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，以確保輸油臂在規定的范圍內作業，當超出作業范圍時，輸油臂會自動報警，控制系統會自動停止運動。真空斷流器：安裝于輸油臂內臂頂端的閥門，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時，不應使用真空斷流器，應使用吹掃系統。電氣絕緣裝置：電氣絕緣裝置一般安裝于三向旋轉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生電流，以防產生電火花而發生危險。可調支腿：安裝在三向旋轉接頭的下部，尤其是大型船用輸油臂，可調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，但密封間隙不好調整，加工難度較大，經常有滲漏現象，但制造成本低，其結構組成與自立支撐式船用輸油臂基本相同，主要由下列部件構成:基礎立柱、內臂、外臂、旋轉軸承、90?的彎板、平衡系統。繩輪系統、鎖緊裝置、液壓驅動系統、限位裝置、真空斷流器。電氣絕緣裝置、可調支腿等。和自立支撐式輸油臂相比較，僅多了90?的彎板、同時旋轉部分改為旋轉軸承，較旋轉接頭簡單許多。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輸油臂才能夠正常作業。輸油臂工作包絡示意圖如下：

對接區域:該區域為一立體空間,輸油臂與船舶在此區域內實現對接,該區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。工作區域：在此區域內，輸油臂處于與船舶保持連接，進行裝卸作業,在此區域內輸油臂的六個旋轉接頭自由度能隨船舶自由飄移而不致發生危險。報警區域：在此區域內，輸油臂的報警系統啟動，向操作員發出聲/光報警信號，操作員關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，在第二級報警系統啟動后，防溢雙球閥關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，近年來已經成為大連港集團最大的利潤來源，每年為大連創造近2億元的利潤。同時作為國家戰略儲備油基地，其也為國民經濟的發展起著保駕護航的作用。隨著國際油運市場的快速發展，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，緩解了碼頭作業壓力。但隨著油品運輸船舶的大型化，碼頭的作業效率明顯降低，即使用2臺?400船用輸油臂同時作業，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效率，大連港集團計劃再建設一個新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。為了實現這一目標，本著培養鍛煉本港的設計、施工隊伍，降低工程成本的目的。由大連港技術工程部牽頭，由大連港機械公司，大連港設計研究院，大連港新港港務公司組成了科技攻關小組，共同開發和研制20寸船用輸油臂，以滿足大連港發展的需求。1.3.2課題主要研究的內容及目的本課題將以大連港新30萬噸級油碼頭?500船用輸油臂開發與應用為課題，重點研究?500船用輸油臂的中間旋轉接頭及輸油臂本體結構的設計，同時對輸油臂的液壓控制系統及電器控制系統進行簡單的介紹，對與輸油臂有關的試車大綱和使用說明書進行了編制。最終要達到?500船用輸油臂實現國產化的目的。

2?500船用輸油臂中間旋轉接頭的設計研究2.1旋轉接頭的功能概述2.1.1旋轉接頭作用及要求旋轉接頭是輸油臂結構中最為關鍵的部件，其如同人體的活動關節，人體的每一個動作都需要關節的運動來完成一樣。輸油臂的三大部件——立柱、內臂、外臂就是依靠旋轉接頭的的連接和運動，才能夠完成正常作業。同時，為了使輸油臂能夠與船舶順利實現對接，在外臂的頭部，還需有一套三向旋轉接頭，以確保輸油臂的外端在一定范圍內具有空間三維可動性。因此，旋轉接頭性能的優劣直接影響著整臺輸油臂的使用性能。對于旋轉接頭而言，其最基本的要求就是要轉動靈活，能夠順利完成輸油臂的每一個動作，在此基礎上，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，這些要求對于旋轉接頭都是必不可少的。2.1.2旋轉接頭的技術發展為了不斷提高旋轉接頭的質量，國外眾多企業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構形式，這種結構對于旋轉接頭的要求比較低，主要利用旋轉接頭的轉動性能，利用一般的大軸承即可，但總體結構較復雜，多了一套專門用于承載的彎板結構，而且加工制作難度大，密封性較差，旋轉接頭的使用壽命短，但更換比較方便。后兩個公司采用的是自支承結構形式，這種結構對于旋轉接頭的要求比較高，旋轉接頭不僅是轉動件，同時還是承載件，因此其旋轉接頭一般都是自主研制的，這種結構最大的優點是結構緊湊，外形簡潔美觀，同時其使用壽命長，密封性能好，但更換旋轉接頭比較麻煩。在我們國家，眾多輸油臂生產廠家也對輸油臂的旋轉接頭進行著研究，尤其是自支撐結構形式旋轉接頭的研究已經取得了很大的進步，先后已經進行了四代更新，旋轉接頭的性能已經達到了國際先進水平。最早一代的旋轉接頭只是利用一般的20鋼材料經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。第二代旋轉接頭還是利用一般的20鋼材料經過滲碳滲氮處理后加工而成，應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。應該說其各項性能指標遠遠優于前兩代。第四代旋轉接頭是利用20CrMo材料在滾道表面堆焊一種硬質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接頭。2.2?500船用輸油臂中間旋轉接頭設計方案的確定2.2.1方案的比較與確定從目前國內外輸油臂的發展實際來看，輸油臂的旋轉接頭主要有兩種結構形式，即獨立支承支撐結構和自支承結構形式。兩種結構形式的優缺點也比較明顯。獨立支承支撐結構形式主要優點是旋轉接頭的要求比較低，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構，輸油臂的外形顯得復雜，加工難度加大，滲漏點增多，密封性較差，同時由于旋轉接頭只是普通的軸承材質，耐磨耐腐蝕較差，故其使用壽命較短。自支承結構形式最主要的優點就是結構緊湊，輸油臂的外形美觀，從使用角度來看，質量可靠，使用壽命長，密封性能好，其主要不足是旋轉接頭的加工制作工藝比較復雜，旋轉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構形式的輸油臂。此次φ500輸油臂的研究主要是結合大連港新30萬噸級原油碼頭建設項目而進行，由于我港已經熟練掌握自支承結構旋轉接頭的制造技術，從我港多年的使用情況來看，效果十分良好，所以此次φ500輸油臂旋轉接頭的結構形式仍采用自支承結構形式。2.2.2旋轉接頭基本參數的確定根據大連港新30萬噸級原油碼頭的設計技術要求，并結合φ500輸油臂應適用的工作船舶的相關參數的要求，按照輸油臂的設計規范，確定φ500輸油臂的主要參數如表2.1。表2.1輸油臂參數Tab.2.1Parameterofloadingarm名稱參數輸油臂內徑Φ506mm輸油臂外徑Φ530mm外伸臂相對內臂最大擺動角112°完成最大擺動角所需時間32s內臂擺動角（以垂直線為基準）后仰21°，下俯90°完成內臂最大擺動角所需時間55s內、外臂水平回轉角度±30°（可多臺同時使用）水平回轉速度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接頭的設計[5-11]輸油臂旋轉接頭承受的載荷主要包括自重、風載、管道內部油壓、地震載荷、雪載等，為簡化計算，這里只考慮對回轉接頭影響較大的自重和風載，如圖2.1。圖2.1旋轉結構示意圖Fig.2.1Rotationstructure2.3.1軸承內外圈強度設計計算由于水平旋轉接頭的受力情況比豎直平面內的回轉接頭的受力情況要惡劣，下面以水平回轉接頭為例進行軸承的強度計算和接觸應力計算，軸承的內圈溝底直徑所在平面為危險截面，如圖2.2。圖2.2水平結構示意圖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內圈截面應力<[σ]2.3.2軸承連接螺栓的設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,螺栓受應力<[σ]滿足強度要求。2.4滾珠接觸應力設計計算由于輸油臂回轉接頭的回轉速度不高，這里按靜載來處理。輸油臂回轉接頭承受的載荷包括了軸向力、徑向力以及彎矩，受力狀況很復雜，為了簡化計算，赫茲理論做了以下假設：（1）接觸區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。根據以上假設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外圈之間的相對轉角，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滾珠接觸應力計算Fig.2.4Ballcontactstresscalculation當滾珠直徑與節圓直徑之比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力即可。2.4.1設計計算的原始數據單排滾珠承受的軸向力Fa=107000N單排滾珠承受的徑向力Fr=52261N回轉接頭承受的彎矩M=510524N.m外側兩排滾珠間距L=0.2m由彎矩等效的徑向力Fr*＝M/L=2552620N滾珠直徑Dw=30.163mm單排滾珠數量Z=63內、外圈滾道半徑ri=re=15.534內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ea=0.09081,eb=0.009704,eδ=0.00016792.4.2軸向和徑向載荷聯合作用下的最大滾珠載荷QmaxF設計計算對深溝球軸承來說，原始接觸角α＝0°，設承載后的接觸角為α'，則（2-1），查表得：ε＝2.9855，ε為反映軸承內部鋼球載荷分布的一個參數Ja=0.7651,Ja為載荷分布的軸向積分代入式（2-1）重復計算直到得到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最大滾珠接觸應力計算最大滾珠接觸應力（2-5）對于深溝球軸承，與徑向基本額定靜載荷對應的接觸應力值為[σ]＝4200N/mm2，當旋轉速度較低時，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船用輸油臂本體結構的設計研究3.1輸油臂本體結構概述無論是獨立支撐結構形式還是自支撐結構形式的輸油臂，其本體結構主要都是由三部分組成，即立柱部分，內臂部分和外臂部分．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，再經過內臂，外臂，直到外臂的前端，通過外臂前端的三向旋轉接頭與船舶實現對接，完成裝卸作業任務。因此，對于輸油臂的研究，最主要的就是對本體結構的研究。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，其支撐著內臂和外臂部分的全部重量，因此立柱部分應有足夠的強度和穩定性。其作用不僅要支撐內臂和外臂，關鍵還有其連接作用，其下端的基礎連接板與碼頭前沿的基礎相連接，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，將油品通過立柱內部的輸油管道經中間旋轉接頭輸送到內臂。內臂部分是輸油臂本體結構中最為關鍵的一部分。其一端通過中間旋轉接頭與立柱相連接，另一端通過頭部旋轉接頭與外臂相連接，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組成的平衡系統支撐了外臂的重量，使輸油臂在作業過程中無論處于何種位置，外臂始終處于平衡狀態，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構中較為簡單的一部分，其上部通過頭部旋轉接頭與內臂相連接，下部通過三向旋轉接頭與船舶實現對接，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接頭直接與油輪相連接，為了防止船舶產生的靜電轉移到輸油臂的本體產生意外，在其前端與三向旋轉接頭之間還加有一套靜電絕緣法蘭。3.2輸油臂本體結構方案確定此次?500輸油臂的開發與研究主要是結合大連港新30萬噸級原油碼頭建設項目而進行，由于我港已經熟練掌握自支承結構形式輸油臂的制造技術，目前大連港油品碼頭使用的輸油臂均為自支承結構形式輸油臂，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構形式。同時，在?400輸油臂成功研發的基礎上，充分借鑒?400輸油臂研發的經驗，?500輸油臂主體結構與?400輸油臂基本相似，輸油管道的口徑油?400加大到?500，相應的結構尺寸根據碼頭的條件和適用船型進行了相應的設計，相應的部位進行了加強設計。由于新30萬噸級原油碼頭?500輸油臂為新研發產品，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階段，本次輸油臂設計過程不考慮安裝緊急脫離裝置，?500輸油臂的性能應能滿足新30萬噸級原油碼頭的裝卸需要。輸油臂的輸送介質為原油。輸油臂的尺寸應適用于最小150000DWT級，最大450000DWT級原油船舶。?500輸油臂應能與原碼頭上的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、內臂、外臂、旋轉接頭及快速接頭等組成。平衡系統采用雙平衡配重結構形式。各機構動作采用全液壓油缸驅動，由液壓及電氣系統集中控制。工作時，接通浮動閥，內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。在內臂尾部設有定位插銷，以使輸油臂在非工作狀態下安全停放。3.2.1主要性能參數輸油臂主要性能參數見表3.1。表3.1主要性能參數Tab.3.1mainparameter內容參數輸油臂內徑Φ506mm輸油臂外徑Φ530mm外伸臂相對內臂最大擺動角112°完成最大擺動角所需時間32s內臂擺動角（以垂直線為基準）后仰21°,下俯90°完成內臂最大擺動角所需時間55s內、外臂水平回轉角度±30°（可多臺同時使用）水平回轉速度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驅動型式雙平衡全液壓驅動液壓系統額定壓力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結器驅動裝置,油缸額定推力外伸臂伸展,184.7KN內臂擺動,184.7KN水平回轉,146.4KN驅動型式油缸油缸數量13.2.2主要結構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設計條件1）碼頭面標高及潮位：碼頭面標高為+12.00m，設計高水位+4.06m，設計低水位+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，允許風速為17m/s,非工作時，允許風速為55m/s,本地區地震烈度7度。3.4設計計算[8-14]3.4.1結構強度及穩定性設計計算（1）外伸臂強度和剛度設計計算操作時，外伸臂處于水平狀態受力最不利，以此工況計算其強度和剛度。圖3.1Fig.3.1圖3.2Fig.3.2①強度設計計算σ=≤〔σ〕＝147N/mm2(安全系數n=1.6)（3-1）σⅠ==98N/mm2＜〔σ〕σⅡ==98N/mm2＜〔σ〕②剛度設計計算f=++≤〔f〕（3-2）fⅠ=+=28.25mmfⅡ=++=77.24mmfmax=fⅠ+fⅡ=28.25+77.24=105.49＜〔f〕（2）內臂強度和剛度設計計算操作時，內臂處于水平狀態受力最不利，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強度設計計算σ=+≤〔σ〕＝147N/mm2(安全系數n=1.6)正向彎矩作用下各截面應力σⅠ1==98N/mm2σⅡ1==94N/mm2σⅢ1==114N/mm2σⅣ1==58N/mm2側向彎矩作用下各截面應力σⅠ2==28N/mm2σⅡ2==33N/mm2σⅢ2==48N/mm2σⅣ2==50N/mm2＜〔σ〕側向壓力作用下各截面應力σⅠ3==4N/mm2σⅡ3==3.8N/mm2σⅢ3==5.9N/mm2σⅣ3==6.4N/mm2各截面合應力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剛度設計計算f=++≤〔f〕正向力作用下撓度fⅡ1=+++=49.7mmfⅢ1=++=35.66mmfⅣ1=+=4.77mmf1=fⅡ1+fⅢ1+fⅣ1=49.7+35.66+4.77=90.13mm側向力作用下撓度fⅡ2==2.45mmfⅢ2==7.93mmfⅣ2==7.41mmf2=fA2+fB2+fC2=2.45+7.93+7.41=17.79mm內臂最大撓度fmax==91.87mm（3-3）（3）立柱強度和穩定性設計計算在非工作狀態下，立柱受自重及Ⅲ類風載荷作用，受力最大，以此工況計算其強度及穩定性。見圖3.5。①強度設計計算σ=+≤〔σ〕＝168N/mm2(安全系數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類風載荷引起的彎矩W=1.09×107mm3代入上式得：σ=+=159N/mm2＜〔σ〕②穩定性設計驗算彎矩作用平面內的穩定性計算與偏心率ε及柔度λ有關，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，l=9500cm—長度。（3-5）λ===88.9按下式驗算穩定性:σ=≤[σ]（3-6）式中：ψe=0.048—實腹式偏心受壓構件在彎矩作用平面內的折減系數。[σ]=168N/mm2—許用壓應力（安全系數n=1.4）代入上式得：σ==118N/mm2＜[σ]3.4.2平衡配重設計計算（1）平衡外伸臂的配重設計計算平衡外伸臂的配重重量應能保證平衡配重至下繩輪旋轉中心軸的力矩值等于外伸臂繞上繩輪中心軸轉動的力矩值。即：M副配=M外伸臂式中：M副配─由副平衡配重產生的繞下繩輪軸心的力矩值。M外伸臂─由外伸臂產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能保證所有位于配重一側的重量對內臂旋轉軸線的力矩等于另一側的所有重量對同一軸線產生的力矩值，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驅動功率設計計算在液壓驅動型輸油臂內外臂及其整體旋轉的驅動功率計算中，應考慮下述各阻力因素，并使液壓裝置產生的驅動力矩大于諸阻力矩之和，再根據各機構動作的時間，計算出輸油臂所需的總驅動功率。下面的計算過程是以水平回轉驅動為例。應考慮的諸阻力因素為：1)回轉接頭中的摩擦阻力矩。包括回轉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、密封表面光潔度、密封處介質的壓力等有關，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)工作狀態下風載荷形成的阻力矩M風M風=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)液壓系統失靈時能自動復位的不平衡力矩M復此力矩在事故狀態下能使輸油臂克服正常風阻力和軸承中的摩擦阻力而自動復位。M復=M摩+M密+M風上述四項阻力矩之和為：∑M阻=（M摩+M密）+M風+M慣+M復=2（M摩+M密+M風）+M慣=2（1.38×107+9.11×105+1.22×107）+1.21×105=6.2×107Nmm應使M驅＞∑M阻=6.2×107Nmm當選定液壓系統壓力后，即可根據以上的計算查相關油缸樣本，確定回轉驅動所需的液壓缸參數：壓力P=16Mpa，缸筒內徑D=125mm,活塞桿直徑d=56mm,最大拉力140KN。驅動力矩M驅＝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時間以后，即可求得液壓系統所需流量。Q回轉=（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=（1252-562）×1159×10-6=11.4L/min同樣可得：Q內臂=10.88L/minQ外伸臂=9.58L/minQmax=11.4L/min輸油臂驅動電機功率為：N=KWP=16MPa—系統額定壓力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,轉速n=1