起重机缓冲器
起重机缓冲器串接在吊钩下方,将溜桩或起吊离地时的猛然受力等突发载荷,通过其行程转化为受控的作用力。本文介绍其工作原理、行程选型方法,以及它在一项 1,500 t 溜桩研究中的表现。

- 起重机缓冲器是带有气弹簧的液压缸,串接在吊钩与负载之间。当负载受到猛拉、下落或溜动时,缓冲器伸缩,使缆索拉力保持在接近设定值的水平,而不会骤然升高。
- 它需要吸收的能量是运动负载的动能;可用的作用力是允许峰值减去静载荷。行程将两者联系起来。
- 初步筛选结果:若可用行程为90 %,力与行程曲线系数为0.5,允许的DAF为1.3,则以3.13 m/s速度接入的负载约需3.7 m行程。
- 在一项条件一致的CONSTELLATION对照研究中,合计运动质量为1,500 t的桩与桩锤以5.0 m/s溜动;POLARIS将吊钩DAF控制在1.43,刚性连接时则为2.28;其所用行程为4.98 m,总行程为6.0 m。
升沉补偿器应对波浪引起的反复运动。缓冲器应对单次事件:起重机吊着桩锤时,桩穿过软土层而溜动;补给船下沉时,负载被猛然吊离甲板;吊索松弛后骤然绷紧。没有缓冲器时,只能靠钢丝绳和索具的伸长来制止这种运动。伸长量很短,因此作用力很高。
缓冲器的作用
吊装平稳时,缓冲器像索具中的连接件一样承受静载荷。当负载受到猛拉、下落或溜动时,缓冲器产生行程。气弹簧吸收事件初期的冲击,随后阀门在设定压力下开启,使缆索拉力上升至设定水平附近,并在运动负载减速至停止期间保持在该水平附近。事件能量转化为液压油的热量,避免起重机、钢丝绳和索具承受力的峰值冲击。
力与行程曲线的形状决定了行程的利用程度。若曲线迅速升至允许峰值并保持该水平,行程就能得到充分利用;若上升缓慢,初段行程的利用率便较低。这一比例就是下文行程初步筛选中的系数η。
行程选型
事件带来动能:有效运动质量 m_{\text{eff}} 以相对接入速度 v_{\text{rel}}. 运动。用等效自由落体距离来表示通常更直观: h:
缓冲器可在其可用行程内,利用高于静载荷且不超过允许峰值的作用力。设 W_{\text{ref}} 为DAF所依据的静载荷, \psi_{\text{allow}} 为允许DAF, S 为行程, \mu 为可用行程比例, \eta 为负载停止前力与行程曲线填满该矩形的比例(图 1),则可吸收的能量为:
令两者相等,可得初步筛选所需的行程:
本文采用 \mu = 0.9,以便在行程终点留出余量,并采用 \eta = 0.5,在计算示例和图 2 中也一样。实际曲线约填满该矩形的一半:作用力需要经过部分行程才上升,并随负载减速而回落。在下文的溜桩研究中,曲线约填满矩形的0.53,所用行程为4.98 m,因此取0.5较为接近,也偏于保守。
计算示例
- 事件。 负载以从以下高度自由落体所对应的速度接入: h = 0.50\ \text{m}: v_{\text{rel}} = \sqrt{2 g h} \approx 3.13\ \text{m/s}.
- 限制条件。 允许DAF为1.3,有效质量等于参考质量, \mu = 0.9,并且 \eta = 0.5.
- 行程。 当两者质量相等时,初步筛选公式化为S \ge \frac{h}{\mu\, \eta\, (\psi_{\text{allow}} – 1)}因此S \ge \frac{0.50}{0.9 \cdot 0.5 \cdot 0.3} \approx 3.70\ \text{m}4 m行程的缓冲器满足初步筛选要求。
初步筛选只校核能量。实际峰值取决于设定的力与行程曲线,以及起重机、钢丝绳和索具的刚度;还需通过瞬态分析确认DAF低于允许值,并留有行程余量。
与溜桩工况对照
在我们采用相同条件进行对照的CONSTELLATION研究 CS-2026-005中,合计运动质量为1,500 t的桩与桩锤以5.0 m/s溜动。同一模型采用同一组参数运行两次:一次使用刚性连接,另一次使用2,000 t POLARIS,其行程为6.0 m。
| 结果 | 刚性连接 | 采用POLARIS |
|---|---|---|
| 缆索峰值载荷 | 37.7 MN | 23.6 MN |
| 以16,553 kN静载荷为基准的吊钩DAF | 2.28 | 1.43 |
| 制动后钢丝绳完全松弛的反弹次数 | 2 | 0 |
| 已用行程 | – | 已用4.98 m,总行程6.0 m |
初步筛选结果与之相符。1,500 t运动质量以5.0 m/s运动时,动能为
以16,553 kN的吊钩静载荷、研究所得DAF及 \mu\, \eta = 0.9 \cdot 0.5 = 0.45, 计算,每米行程可吸收
因此初步筛选要求 18.75 / 3.203 \approx 5.85\ \text{m} 的行程。6.0 m缓冲器满足要求,仿真中使用了4.98 m。 阅读溜桩制动研究 →
缓冲器还是升沉补偿器?
单次事件通常选用缓冲器;反复的波浪周期运动或持续张力工况通常选用 升沉补偿。从补给船吊起负载体现了两者的分界。船舶下沉、钢丝绳承接负载时,每次起吊会发生一次突发冲击,因此可由 POLARIS 等缓冲器吸收。若吊装期间负载始终与运动中的甲板相连,则应使用升沉补偿器。对于介于两者之间的情况,需要根据事件重复频率、设备复位所需时间、反复事件产生的热量和可用行程来判断。
两种结构方案
传统缓冲器将气弹簧设于外部蓄能器中,并通过节流装置控制液流;节流装置可以可调,也可以不可调。我们的轻量化设计POLARIS将少量气体置于单个液压缸内,并以经CFD设计的阀门控制液流。
| 特性 | 蓄能器式 | POLARIS |
|---|---|---|
| 工作原理 | 外部蓄能器中的气弹簧,配合液压节流装置 | 单缸内置少量气体,采用经CFD设计的阀门;无需外部蓄能器或针阀 |
| 调节方式 | 节流装置可能可调,也可能不可调 | 按指定事件选择阀门和预设值 |
| 重量与占地 | 外部蓄能器增加重量并占用甲板空间 | 在相当的工况下,部件更少,因而更轻、更紧凑 |
| 设置 | 按配置为蓄能器充气并设定阀门 | 无需为外部蓄能器充气;按配置设定预设值 |
| 供货 | 多家供应商 | 已获专利(挪威专利NO 349575);仅由Norwegian Dynamics供应 |
常见问题
起重机缓冲器有什么作用?
它串接在吊钩下方,通过行程将突发载荷转化为受控的作用力。当负载受到猛拉、下落或溜动时,缓冲器伸缩,并在负载减速至停止期间使缆索拉力保持在接近设定值的水平,避免起重机、钢丝绳和索具承受刚性连接会产生的峰值冲击。
如何确定起重机缓冲器的行程?
先进行能量初步筛选: S \ge m_{\text{eff}}\, v_{\text{rel}}^{2} / \left( 2 \mu \eta W_{\text{ref}} (\psi_{\text{allow}} – 1) \right),其中 \mu 是可用行程比例, \eta 是力与行程曲线填满相应矩形的比例。随后结合设定的力与行程曲线以及起重机、钢丝绳和索具的刚度,校核实际峰值。
应该使用缓冲器还是升沉补偿器?
缓冲器用于单次事件,例如溜桩、起吊离地时的猛然受力,或松弛吊索骤然绷紧。升沉补偿用于反复的波浪运动和持续张力工况。介于两者之间时,应考虑事件重复频率、设备复位速度、产生的热量和可用行程。
缓冲器能吸收从补给船起吊时的突发冲击吗?
可以。负载从补给船甲板吊起而船舶下沉时,钢丝绳可能骤然绷紧;POLARIS等串接式缓冲器可限制峰值。若吊装期间负载始终与运动中的甲板相连,升沉补偿器更合适。
POLARIS在溜桩研究中表现如何?
在我们采用相同条件进行对照的CONSTELLATION研究 CS-2026-005中,合计运动质量为1,500 t的桩与桩锤以5.0 m/s溜动时,刚性连接工况的吊钩DAF为2.28,使用POLARIS时为1.43;该POLARIS为2,000 t。缆索峰值载荷从37.7 MN降至23.6 MN;POLARIS使用了4.98 m行程,总行程为6.0 m;制停后未出现钢丝绳完全松弛的反弹(刚性连接时出现两次)。
缓冲器如何保护起重机的起重能力?
通过将缆索峰值载荷控制在该次吊装的起重机载荷表允许范围内。经验证的峰值或DAF较低,可保留适用载荷表工况的裕量;还应核对载荷表的载荷定义、工作幅度和配置,以及参考载荷和项目准则。
资料来源与假设
- 初步筛选基于有效运动质量的能量平衡,全篇采用 \mu = 0.9 和 \eta = 0.5。η仅计入高于静载荷的作用力,计算至负载停止的位置;在初步筛选的设计点,该位置即为可用行程末端。根据 CS-2026-005 的结果(1,500 t、5.0 m/s、16,553 kN静载荷、DAF 1.43、使用4.98 m行程)反算,η约为0.53。POLARIS页面所述的能量吸收效率采用另一种比值(全作用力曲线相对于峰值作用力),因此数值更高。
- 溜桩结果来自我们已发表的CONSTELLATION研究 CS-2026-005,属于建模研究,并非经认证的项目分析。
- 最终选型须校核设定的力与行程曲线,起重机、钢丝绳和索具的刚度与预张力,行程余量,事件重复频率、复位与发热情况,环境条件,以及项目或船级社依据。
需要在吊钩下方增设缓冲器?
请提供:
- 运动质量及其悬挂时的静载荷
- 接入速度,或自由落体距离或溜动距离
- 允许峰值或DAF,以及所依据的载荷
- 可用行程和净空高度
- 事件发生的频率及地点
我们将提供POLARIS初步筛选结果,以及验证所需的输入条件。
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