500输油臂的研究与应用 机械专业硕士学位论文

专业学位硕士学位论文Ø500输油臂的研究与应用TheResearchandApplicationofØ500LoadingArm作者姓名：学科、专业：机械工程学号：指导教师：完成日期：2008年10月大连理工大学DalianUniversity

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：作者签名：日期：年月日-PAGEVIII--PAGEI-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30万吨级油品码头建设工程项目的基础上，对Ø500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Ø500船用输油臂的关键部件——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Ø500船用输油臂的液压控制系统及电气控制系统进行了介绍，编制了与Ø500船用输油臂设计相关的试车大纲和使用说明书。在本研究的基础上，大连港Ø500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Ø500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-PAGEVII-TheResearchandApplicationofØ500LoadingArmAbstractWiththerapiddevelopmentofyardbuildingforoiltransportationinternalandoverseas,Asthemostimportantequipment,Themarineloadingarmisalsorequiredmorehighercapacity.Inordertoimprovethetechnicallevelfortheresearchofourhomegrownmarineloadingarmanddevelopournationalindustry,BasedontheprojectofDaLianPortnew300,000oilyardthearticleisstudyingtheØ500MarineLoadingArmThroughgenerallyintroductionofthedevelopmentofMarineLoadingArminlandandoutland,Basedonthecurrenttechnicaldevelopingleverandtendencethearticleisapplyingrelevantmechanicstocalculateandanalysistherotation-jointandbodystructureofØ500MarineLoadingArm.Atthesametime,thearticleintroduceshydraulicandelectriccontrolsystemofØ500MarineLoadingArmtous.Itisalsoincludingrelevantcommissioningprécisandusingmanual.BasedonthisarticletheØ500MarineLoadingArmhasbeenmanufacturedandpassedtesting,AlldatahasreacheddesignrequirementIthasbeenusedbytheport,italsohasbroughttheobvioushigherworkefficiency,Ithasreceivedhighappraisement.ThestudyinthisarticlecanprovideusefultheoreticalproofsonthedevelopmentofØ500MarineLoadingArminland.ItsuppliesagaponthedevelopmentofbiggersizeMarineLoadingArminland.ItalsolaysafoundationofmanufacturebiggersizeMarineLoadingArminland.Arm.Atthesametime,thearticlegivesusanalysisonthefuturetendenceofthedevelopmentofMarineLoadingArmItwillleadsustoarightdirectionKeyWords:MarineLoadingArm;Rotation-joint;bodystructure目录摘要 IAbstract III1绪论 -1-1.1国内外船用输油臂的发展概 -1-1.1.1国外船用输油臂的发展概况与发展趋势 -1-1.1.2国内船用输油臂的发展概况与差距 -3-1.2船用输油臂的主要特点、主要结构形式及组成、适用范围 -4-1.2.1船用输油臂的主要特点 -4-1.2.2船用输油臂的主要结构形式及组成 -4-1.2.3船用输油臂的适用范围 -6-1.3课题简介 -7-1.3.1课题来源及选题的必要性 -7-1.3.2课题主要研究的内容及目的 -8-2Ø500船用输油臂中间旋转接头的设计研究 -9-2.1旋转接头的功能概述 -9-2.2Ø500船用输油臂中间旋转接头设计方案的确定 -10-2.2.2旋转接头基本参数的确定 -10-2.3Ø500船用输油臂中间旋转接头的设计[5-11] -11-2.3.1轴承内外圈强度设计计算 -11-2.3.2轴承连接螺栓的设计计算 -12-2.4滚珠接触应力设计计算 -13-2.4.1设计计算的原始数据 -14-2.4.2轴向和径向载荷联合作用下的最大滚珠载荷QmaxF设计计算 -14-2.4.3弯矩单独作用下的最大滚珠载荷QmaxM计算 -15-2.4.4联合载荷作用下最大滚珠载荷 -15-2.4.5接触面尺寸计算 -15-2.4.6最大滚珠接触应力计算 -15-3Ø500船用输油臂本体结构的设计研究 -16-3.1输油臂本体结构概述 -16-3.2.1主要性能参数 -17-3.2.2主要结构尺寸 -18-3.3设计条件 -18-3.4设计计算[8-14] -19-3.4.1结构强度及稳定性设计计算 -19-3.4.2平衡配重设计计算 -23-3.4.3驱动功率设计计算 -24-4Ø500船用输油臂液压控制系统研究 -27-4.1概述 -27-4.2原30万吨级油码头液压控制系统主参数 -27-4.3 系统压力调定 -30-4.4操作方法 -30-4.5维护和注意事项 -31-4.6易损零件 -32-5Ø500船用输油臂电气控制系统研究 -33-5.1船用输油臂电气控制系统概述 -33-5.2Ø500船用输油臂电气控制系统原理图 -33-5.3Ø500船用输油臂电气控制系统操作程序 -38-5.3.1操作前的检查 -38-5.3.2操作 -38-电控操作箱功能开关使用说明 -38-遥控操作（正常操作） -38-手动操作 -39-6Ø500船用输油臂整机性能试验设计[3] -41-6.1总则 -41-6.2主要性能参数和尺寸 -41-6.3厂内试验大纲 -41-6.3.1总则 -41-6.3.2电气试验 -41-6.3.3机械性能试验 -41-6.3.4液压系统试验 -42-6.3.5超限报警开关动作检查 -42-6.3.6速度试验 -43-6.3.7超载试验 -43-6.3.8测量泵站防爆电动机的稳态电流和电压 -43-6.3.9测量尺寸 -43-6.3.10测量硬度 -43-6.3.11漆膜厚度测量 -43-6.4现场试验大纲 -44-6.4.1总则 -44-6.4.2电气、机械及液压系统性能试验 -44-6.4.3速度实验 -44-6.4.4超限报警开关性能试验 -44-6.4.5工作循环时间试验 -44-6.4.6连续工作试验 -44-6.4.7加压试验 -45-6.5检查和试验结果 -45-6.5.1电气试验—绝缘阻抗试验 -45-6.5.2机械及液压系统性能试验 -45-7Ø500船用输油臂使用说明书 -49-7.1概述 -49-7.2主要性能参数和尺寸 -49-7.2.1主要性能参数（见表3.1） -49-7.2.2主要尺寸（见表3.2） -49-7.3主要结构性能 -49-7.4操作程序 -51-7.4.1手动操作部分 -51-7.4.2电动操作部分 -51-7.4.3遥控控制部分 -52-7.5故障检修 -52-7.6维修和保养 -54-7.6.1机械部分检查维修表 -54-7.6.2 液压及电气系统检查维修表 -55-结论与展望 -56-参考文献 -57-致谢 -64-大连理工大学学位论文版权使用授权书 -65-66-67-1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，能够阿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80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20世纪80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20世纪80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Ø400，而国外早在70年代就有Ø600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的发展已经有50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FMCTechnologies公司，英国的Woodfield公司以及日本新泻铁工所。法国的FMCTechnologies公司是目前世界上船用输油臂制造领域第一大公司，占有全球50%以上的市场，其先后在世界范围内生产制造船用输油臂8000多台。其在1956年制造出世界上第一台船用输油臂，并在1963年生产出世界上第一台LNG船用输油臂[1]，在1969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600mm。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2006年青岛港油港公司4台16寸船用输油的公开招标中，一举拿下近两千万元的项目，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Woodfield公司也是一家传统的船用输油臂制造公司，其几乎与FMC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Ø100到Ø600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的生产，比如用于输送化工原料LNG、LPG以及其他的低温流体，其输送介质的温度范围可达到零下164度至零上200度，同时期还可以生产用于输送具有腐蚀性的化工产品的船用输油臂。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FMC公司并驾齐驱，占有很大市场份额。尤其是在80年代初就进入中国市场，中国早期的船用输油臂几乎都从日本进口，但近年来，由于其在技术方面已落后于FMC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——旋转接头的密封技术上仍旧处于领先位置，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，国外还有一些原来生产船用输油臂的企业已逐步退出该市场，转而研究船用输油臂的关键部件。比如意大利的IMB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，比如一套16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。随着国际原油市场的飞速发展，船用输油臂的发展也日趋加快，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）随着油品码头建设及由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2004年大连港30万吨级油品码头建成投产以来，青岛港也在2006年建成30万吨级油品码头，天津港也在2007年将原有的15万吨级油品码头改造成30万吨级油品码头，大连港已立项建设新30万吨级油品码头，其实际靠泊能力可达到50万，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。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，液动快速接头在惯犯引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国内对船用输油臂的研究较国外起步很晚，我国在20世纪80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1985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。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Ø100到Ø400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20世纪80年代初期就开始对船用输油臂进行研究，并在1985年研制出国内第一台船用输油臂，在1993年研制出国内第一台12寸船用输油臂，在2003年研制出国内最大口径的Ø400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，已在国内生产制造200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，20世纪90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，其近年来在国内的发展速度十分迅速，低廉的价格已使其占有了80%的国内市场[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Ø400，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，其有以下优点：（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，在作业过程可以控制系统来遥控实现，减少人力的使用。（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。1.2.2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90˚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输油臂。按照其口径的大小可分为Ø100至Ø600寸不同规格型号。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、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[3]自立支撑式船用输油臂其90˚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90˚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90˚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90˚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。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。可调支腿：安装在三向旋转接头的下部，尤其是大型船用输油臂，可调支腿的使用可以极大的减小船舶连接法兰的受力。（2）独立支撑式船用输油臂[4]独立支撑式船用输油臂与自立支撑式船用输油臂相比，其最主要的特点是在输油臂的90˚弯头连接处多加设一个90˚的弯板，90˚的弯板取代90˚弯头而承载。由于90˚弯头不受力，进而，在更换密封件时十分方便，但密封间隙不好调整，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、90˚的弯板、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。和自立支撑式输油臂相比较，仅多了90˚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。1.2.3船用输油臂的适用范围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PTFE、PVC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：

对接区域:该区域为一立体空间,输油臂与船舶在此区域内实现对接,该区域由船舶集管的最大和最小退距、船舶的尺度、以及潮位等因素所确定。工作区域：在此区域内，输油臂处于与船舶保持连接，进行装卸作业,在此区域内输油臂的六个旋转接头自由度能随船舶自由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，避免船舶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子公司，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。同时作为国家战略储备油基地，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2004年已建成30万吨级油码头，码头前沿安装有4台Ø400船用输油臂，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Ø400船用输油臂同时作业，装卸一条30万吨级油船仍需要2天的时间，为了进一步提高码头的作业效率，大连港集团计划再建设一个新30万吨级油码头，其靠泊能力可以达到50万吨，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Ø500船用输油臂进行装卸作业。为了实现这一目标，本着培养锻炼本港的设计、施工队伍，降低工程成本的目的。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20寸船用输油臂，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新30万吨级油码头Ø500船用输油臂开发与应用为课题，重点研究Ø500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简单的介绍，对与输油臂有关的试车大纲和使用说明书进行了编制。最终要达到Ø500船用输油臂实现国产化的目的。

2Ø500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CONNEX公司、英国的AkerKvaerner公司、法国的FMC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20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20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20CrMo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20CrMo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，其使用寿命可达10年以上，这也是目前输油臂使用的旋转接头。2.2Ø500船用输油臂中间旋转接头设计方案的确定2.2.1方案的比较与确定从目前国内外输油臂的发展实际来看，输油臂的旋转接头主要有两种结构形式，即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，耐磨耐腐蚀较差，故其使用寿命较短。自支承结构形式最主要的优点就是结构紧凑，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φ500输油臂的研究主要是结合大连港新30万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φ500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30万吨级原油码头的设计技术要求，并结合φ500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φ500输油臂的主要参数如表2.1。表2.1输油臂参数Tab.2.1Parameterofloadingarm名称参数输油臂内径Φ506mm输油臂外径Φ530mm外伸臂相对内臂最大摆动角112°完成最大摆动角所需时间32s内臂摆动角（以垂直线为基准）后仰21°，下俯90°完成内臂最大摆动角所需时间55s内、外臂水平回转角度±30°（可多台同时使用）水平回转速度0.34r/min主平衡配重重量1556kg副平衡配重重量11545kg输送效率流速V=9m/s，流量Q=6000m3/h工作对象原油（平均比重0.86）适用船型150000～450000DWT2.3Ø500船用输油臂中间旋转接头的设计[5-11]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，如图2.1。图2.1旋转结构示意图Fig.2.1Rotationstructure2.3.1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2.2。图2.2水平结构示意图Fig.2.2Levelstructure此截面面积A＝76897mm2抗弯截面摩量W=9743586mm3轴向力Fa总=321000N弯矩M=510524N.m内圈截面应力<[σ]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2.3螺栓承载分布Fig.2.3Boltloaddistribution螺栓承受最大载荷螺栓直径的d=42mm,螺栓受应力<[σ]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2.4滚珠接触应力计算Fig.2.4Ballcontactstresscalculation当滚珠直径与节圆直径之比Dw/Dpw=0.049＜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Fa=107000N单排滚珠承受的径向力Fr=52261N回转接头承受的弯矩M=510524N.m外侧两排滚珠间距L=0.2m由弯矩等效的径向力Fr*＝M/L=2552620N滚珠直径Dw=30.163mm单排滚珠数量Z=63内、外圈滚道半径ri=re=15.534内外圈滚道半径与滚珠直径比值的平均值fm=0.515由fm=0.515查表可得：接触变形系数c=4.223×10-4滚珠曲率ρ1Ⅰ＝ρ1Ⅱ＝2/Dw=0.06631外圈滚道横截面曲率ρ2Ⅰ＝－0.06438外圈滚道纵截面曲率ρ2Ⅱ＝－0.003076Σρ＝ρ1Ⅰ+ρ1Ⅱ+ρ2Ⅰ+ρ2Ⅱ＝0.06516查表可得赫兹接触系数ea=0.09081,eb=0.009704,eδ=0.00016792.4.2轴向和径向载荷联合作用下的最大滚珠载荷QmaxF设计计算对深沟球轴承来说，原始接触角α＝0°，设承载后的接触角为α'，则（2-1），查表得：ε＝2.9855，ε为反映轴承内部钢球载荷分布的一个参数Ja=0.7651,Ja为载荷分布的轴向积分代入式（2-1）重复计算直到得到α'的收敛值为止，α'＝17.01°，ε＝2.988，Ja=0.7654，sinα'＝0.29252.4.3弯矩单独作用下的最大滚珠载荷QmaxM计算2.4.4联合载荷作用下最大滚珠载荷Qmax=QmaxF+QmaxM=210175N（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，椭圆的长轴（2-3）椭圆的短轴（2-4）2.4.6最大滚珠接触应力计算最大滚珠接触应力（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为[σ]＝4200N/mm2，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σmax＜（2～5）[σ]，满足强度要求。3Ø500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Ø500输油臂的开发与研究主要是结合大连港新30万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φ500输油臂原则上仍采用自支承结构形式。同时，在Ø400输油臂成功研发的基础上，充分借鉴Ø400输油臂研发的经验，Ø500输油臂主体结构与Ø400输油臂基本相似，输油管道的口径油Ø400加大到Ø500，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。由于新30万吨级原油码头Ø500输油臂为新研发产品，按计划试制1台,替换原30万吨原油码头上的一台Ø400输油臂，由于我港的输油臂紧急脱离装置正处于研发阶段，本次输油臂设计过程不考虑安装紧急脱离装置，Ø500输油臂的性能应能满足新30万吨级原油码头的装卸需要。输油臂的输送介质为原油。输油臂的尺寸应适用于最小150000DWT级，最大450000DWT级原油船舶。Ø500输油臂应能与原码头上的3台Ø400输油臂同时工作，也可以单独工作。Ø500输油臂主要由立柱、内臂、外臂、旋转接头及快速接头等组成。平衡系统采用双平衡配重结构形式。各机构动作采用全液压油缸驱动，由液压及电气系统集中控制。工作时，接通浮动阀，内外臂能跟随船舶做漂移运动。为了输油臂的安全正常工作，在其上设有限位报警、静电绝缘法兰、橡皮绝缘软性电缆等安全保护装置。在内臂尾部设有定位插销，以使输油臂在非工作状态下安全停放。3.2.1主要性能参数输油臂主要性能参数见表3.1。表3.1主要性能参数Tab.3.1mainparameter内容参数输油臂内径Φ506mm输油臂外径Φ530mm外伸臂相对内臂最大摆动角112°完成最大摆动角所需时间32s内臂摆动角（以垂直线为基准）后仰21°,下俯90°完成内臂最大摆动角所需时间55s内、外臂水平回转角度±30°（可多台同时使用）水平回转速度0.34r/min主平衡配重重量1556kg副平衡配重重量11545kg输送效率流速V=9m/s，流量Q=6000m3/h工作对象原油（平均比重0.86）,流量P=5160t/h泊位输送效率20640/h(四台工作时)适用船型150000～450000DWT驱动型式双平衡全液压驱动液压系统额定压力16MP额定电机功率4KW液压泵型号CB-Fc10液压油型号N46抗磨液压油自重48163Kg输油臂与船舶集油口连接型式快速联结器驱动装置,油缸额定推力外伸臂伸展,184.7KN内臂摆动,184.7KN水平回转,146.4KN驱动型式油缸油缸数量13.2.2主要结构尺寸输油臂主要尺寸见表3.2。表3.2主要尺寸Tab.3.2Mainsize立柱高度12m内臂长度外伸臂长度上、下绳轮名义直径外伸臂拉索直径12m13.8mΦ2400mmΦ64mm3.3设计条件1）码头面标高及潮位：码头面标高为+12.00m，设计高水位+4.06m，设计低水位+0.44m2）法兰端面至船舶边缘距离4.6m3）船舶纵向漂移量±4.6m，横向漂移量3m4）输油臂工作时，允许风速为17m/s,非工作时，允许风速为55m/s,本地区地震烈度7度。3.4设计计算[8-14]3.4.1结构强度及稳定性设计计算（1）外伸臂强度和刚度设计计算操作时，外伸臂处于水平状态受力最不利，以此工况计算其强度和刚度。图3.1Fig.3.1图3.2Fig.3.2①强度设计计算σ=≤〔σ〕＝147N/mm2(安全系数n=1.6)（3-1）σⅠ==98N/mm2＜〔σ〕σⅡ==98N/mm2＜〔σ〕②刚度设计计算f=++≤〔f〕（3-2）fⅠ=+=28.25mmfⅡ=++=77.24mmfmax=fⅠ+fⅡ=28.25+77.24=105.49＜〔f〕（2）内臂强度和刚度设计计算操作时，内臂处于水平状态受力最不利，以此工况计算其强度和刚度。图3.3Fig.3.3图3.4图3.5Fig.3.4Fig.3.5①强度设计计算σ=+≤〔σ〕＝147N/mm2(安全系数n=1.6)正向弯矩作用下各截面应力σⅠ1==98N/mm2σⅡ1==94N/mm2σⅢ1==114N/mm2σⅣ1==58N/mm2侧向弯矩作用下各截面应力σⅠ2==28N/mm2σⅡ2==33N/mm2σⅢ2==48N/mm2σⅣ2==50N/mm2＜〔σ〕侧向压力作用下各截面应力σⅠ3==4N/mm2σⅡ3==3.8N/mm2σⅢ3==5.9N/mm2σⅣ3==6.4N/mm2各截面合应力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刚度设计计算f=++≤〔f〕正向力作用下挠度fⅡ1=+++=49.7mmfⅢ1=++=35.66mmfⅣ1=+=4.77mmf1=fⅡ1+fⅢ1+fⅣ1=49.7+35.66+4.77=90.13mm侧向力作用下挠度fⅡ2==2.45mmfⅢ2==7.93mmfⅣ2==7.41mmf2=fA2+fB2+fC2=2.45+7.93+7.41=17.79mm内臂最大挠度fmax==91.87mm（3-3）（3）立柱强度和稳定性设计计算在非工作状态下，立柱受自重及Ⅲ类风载荷作用，受力最大，以此工况计算其强度及稳定性。见图3.5。①强度设计计算σ=+≤〔σ〕＝168N/mm2(安全系数n=1.4)式中：P=4.48×105N—计算压力A=7.89×104mm2M=1.67×109Nmm—由自重及Ⅲ类风载荷引起的弯矩W=1.09×107mm3代入上式得：σ=+=159N/mm2＜〔σ〕②稳定性设计验算弯矩作用平面内的稳定性计算与偏心率ε及柔度λ有关，偏心率ε按下式计算：ε===26.98（3-4）柔度λ按下式计算：λ=，式中：μ＝2—长度系数，l=9500cm—长度。（3-5）λ===88.9按下式验算稳定性:σ=≤[σ]（3-6）式中：ψe=0.048—实腹式偏心受压构件在弯矩作用平面内的折减系数。[σ]=168N/mm2—许用压应力（安全系数n=1.4）代入上式得：σ==118N/mm2＜[σ]3.4.2平衡配重设计计算（1）平衡外伸臂的配重设计计算平衡外伸臂的配重重量应能保证平衡配重至下绳轮旋转中心轴的力矩值等于外伸臂绕上绳轮中心轴转动的力矩值。即：M副配=M外伸臂式中：M副配─由副平衡配重产生的绕下绳轮轴心的力矩值。M外伸臂─由外伸臂产生的绕上绳轮轴心的力矩值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图3.6图3.7Fig.3.6Fig.3.7平衡整体的配重设计计算外伸臂的伸展运动平衡之后，尚须保证整体的平衡。由于布置的需要，平衡整体的配重重量应能保证所有位于配重一侧的重量对内臂旋转轴线的力矩等于另一侧的所有重量对同一轴线产生的力矩值，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驱动功率设计计算在液压驱动型输油臂内外臂及其整体旋转的驱动功率计算中，应考虑下述各阻力因素，并使液压装置产生的驱动力矩大于诸阻力矩之和，再根据各机构动作的时间，计算出输油臂所需的总驱动功率。下面的计算过程是以水平回转驱动为例。应考虑的诸阻力因素为：1)回转接头中的摩擦阻力矩。包括回转支撑中的滚动摩擦阻力矩和密封形成的阻力矩，对水平回转三排滚珠轴承,其摩擦阻力矩为：M摩=0.5fD(++)（3-7）式中：f=0.01—轴承摩擦系数D=620mm—轴承直径Pj=7461N—径向力Pz=360000N—轴向力Mqf=3.659×108Nmm—倾覆力矩β=20°—轴承的原始接触角代入上式得：M摩=0.5×0.01×600×(++)=1.38×107Nmm密封装置形成的摩擦力矩和密封过盈量、密封材质、密封表面光洁度、密封处介质的压力等有关，此项阻力值在全部计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—密封装置直径M密=1.5×62=93kgm=9.11×105Nmm2)工作状态下风载荷形成的阻力矩M风M风=1.28×108Nmm3)起动时惯性阻力矩M惯M惯=Jα式中：J=1.21×106kg.m2α=0.007rad/s2—角加速度(按启动时间5.2s，远端速度0.62m/s确定)代入上式得：M惯=8.18×105Nmm4)液压系统失灵时能自动复位的不平衡力矩M复此力矩在事故状态下能使输油臂克服正常风阻力和轴承中的摩擦阻力而自动复位。M复=M摩+M密+M风上述四项阻力矩之和为：∑M阻=（M摩+M密）+M风+M惯+M复=2（M摩+M密+M风）+M惯=2（1.38×107+9.11×105+1.22×107）+1.21×105=6.2×107Nmm应使M驱＞∑M阻=6.2×107Nmm当选定液压系统压力后，即可根据以上的计算查相关油缸样本，确定回转驱动所需的液压缸参数：压力P=16Mpa，缸筒内径D=125mm,活塞杆直径d=56mm,最大拉力140KN。驱动力矩M驱＝8.97×107Nmm＞∑M阻=6.2×107Nmm在确定了输油臂的工作行程和工作循环时间以后，即可求得液压系统所需流量。Q回转=（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回转=（1252-562）×1159×10-6=11.4L/min同样可得：Q内臂=10.88L/minQ外伸臂=9.58L/minQmax=11.4L/min输油臂驱动电机功率为：N=KWP=16MPa—系统额定压力η=0.81—泵的效率，代入上式得：N==3.74KW选用防爆电机型号YB112M-4，功率4KW,转速n=1