国产龙门吊到底有多牛？据说英国造航母都离不开它

近年来中国造船业蓬勃发展，从国产LNG船到大型驱逐舰，再到航空母舰，其建造过程都少不了龙门吊的身影。

出品| 网易新闻学院

作者|汪泽，清华大学机械工程系博士研究生

它是世界上最大的移动起重设备，自重相当于两个埃菲尔铁塔，一次可以吊起相当于400节火车厢的重量，这些夺人眼球的数据说的是中国自主研制的MDGH22000通用门式起重机，也就是“宏海号”龙门吊。

中国龙门吊帮英国造航母

门式起重机，又称龙门吊，顾名思义是形状类似门的起重设备，其主要应用场合是在海工领域，也就是造船业。

近年来中国造船业蓬勃发展，从国产LNG船到大型驱逐舰，再到航空母舰，其建造过程都少不了龙门吊的身影。龙门吊可以实现舰船大型部件的吊装，是船只装配过程中的一大利器。

值得自豪的是，中国造的龙门吊已经“统治”了全世界多家大型造船厂，甚至英国最近建造的“伊丽莎白女王”级航空母舰使用的都是中国造的大型龙门吊。

（中国制造的振华龙门吊正在吊装英国航母）

能造航母只是入门，万吨级才能叫超级龙门吊

为英国建造航母的大型龙门吊相比于今天的主角“宏海号”还要小不少，都已经能吊装航母了，为什么还要造更大的？

这就要说一下大型船只的建造过程，因为船都是要下水的，所以造船的时候都是在位于水中船坞里进行最后的装配工作（龙门吊完成的就是这样的工作），便于直接入水。但船坞对于造船厂来说是稀有资源，如遇到生产周期较长的超大型设备比如海上钻井平台，长时间占据船坞不利于船厂开展其他工作。

（正在进行船只整体吊装的“宏海号”超大龙门吊）

区别于传统的造船方式，“海洋平台地面造”的想法被提了出来，这种方法让船只建造的所有过程都在地面上完成，无需下水。等造好后再将船只整体“搬运”到水中。思路听起来简单，但最大的问题就是没有那样大的设备来完成搬运工作。

常规的大型龙门吊的虽然起重能力都在千吨级，但对于数万吨的设备无能为力，虽然其他类型的固定起重机能够满足起吊重量的要求，但无法灵活移动，同样不满足吊装要求。

因此，需要一个有办法轻松提起万吨级、百米高大家伙的超大龙门吊，这便是研制建造“宏海”号的初衷。有了它，再大的海洋平台和大船也能像快递小哥送快递一样，被轻松吊起来运到海里。

与其说是起重机 ， 不如说是一座行走的“桥”

为了达到2.2万吨的起重效果，“宏海号”需要在各个方面进行综合考虑，其中自身支撑结构就是十分关键的因素。

“宏海”相比于“振华”这样的主流龙门吊在结构上有着很大不同。通常的龙门吊主梁和支撑都会选择箱体结构，而“宏海号”选择的是广泛用于桥梁建造中的桁架结构和拱式外形。

（采用桁架结构的支撑腿）

桁架是一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构，一般具有三角形单元的平面或空间结构。“宏海号”使用这种结构最大的优势是在承载横截面积相同的情况下承载能力大很多，可以大幅减少起重机钢结构的重量，在降低制造成本的同时有效减小的结构风阻，保证了这种万吨级的起重设备有良好的抗风效果。

采用这样的结构是实现124.3米跨度，150米高度的有效保证，从远处看，这个龙门吊就像一座可以移动的桥，还酷似“凯旋门”。

一刚一柔两条腿，有效防止它脱离轨道

类似于主梁结构，“宏海号”的支撑腿采用上小下大左右对称的梯形桁架结构，具有良好的承载稳定性。但是需要注意的是，虽然两条支撑腿大小一致左右对称安装在主梁下方一端，关于主梁中心线对称分布，但它们可不是完全一样的，而是一刚一柔两条腿。

所谓“刚柔”指的是刚性连接和柔性连接。刚性连接是指支撑腿与主梁之间通过高强度的焊接联结在一起，理论上不会出现相对位移；而柔性连接是指支撑腿和主梁之间通过柔性铰链相连，理论上是可以产生一定的相对转动。

听起来两个都采用刚性连接会更更加稳固才对，为什么要一刚一柔呢？

（“宏海号”示意图左侧支撑腿为刚性连接，右侧为柔性连接）

这是因为主梁会由于提升负载的作用和热胀冷缩效应产生变形，而这种纵向的微小变形体现在长跨度主梁的两端是不可忽略的。如果采用两个刚性连接的支撑腿，由于主梁和支撑腿之间不会产生相对位移，这种变形也会影响到支撑腿和下横梁轨道之间的相对位置，严重的甚至会导致支撑腿脱离轨道，造成出轨。

要是两个支撑腿都使用柔性连接，那龙门吊就仿佛变成了可以活动的平行四边形，极不稳定，因此也不可取。（看来还是阴阳融合才是王道~）

为了使得龙门吊可以吊起数万吨的载荷可以在300米长的轨道上自由移动，需要在混凝土浇筑的路基上铺设相应的轨道机构，混凝土墩台则相当于路基。随着使用时间的增长，轨道两侧相邻的混凝土墩台之间会出现不均匀的沉降，这是无法避免的。为了防止轨道因为墩台的沉降而产生变形，在两个相邻的混凝土墩之间设置了轨道过渡桥。

相邻混凝土墩台之间的轨道过渡桥

当墩台发生沉降时，轨道过渡桥就会在水平方向上产生一个小角度的倾斜来补偿两个墩台之间的高度差，从而减缓轨道上齿条的变形，降低龙门吊运动过程中由于变形所带来的冲击和阻力，同时也降低了龙门吊脱轨的风险。

传统轮轨系统都不堪重负，“宏海号”有着力拔万吨的起吊系统

传统的龙门吊采用轮轨系统，通过驱动轮子转动，依靠轮子和轨道之间的摩擦力来驱动起重机的移动。由于“宏海号”巨大的起重要求，再加上其自身的重量，这要求驱动系统提供的水平驱动力至少是传统龙门吊的十几倍，已经超出了传统驱动方式的技术限制。

因此“宏海号”的移动系统采用了摩擦阻力小、承载能力大的滚轮车作为和轨道之间的承接支撑机构，并通过多台液压油缸和液压系统实现液压均载，保证各个滚轮受力基本相同，防止出现过载损坏。而龙门吊的行走则通过齿轮和齿条的相互啮合传动实现。

同时为了保证“宏海号”的移动系统可以沿着直线顺畅行走，避免出现常规龙门吊的“啃轨”现象，设计人员还提供一种侧面带导向轮并可根据轨道变形状况左右和上下摆动的滚轮车支撑装置。

在轨道面不平整或结构发生变化的情况下，该装置可以使滚轮车自动找平，保持滚轮车的正压力始终垂直作用在轨道平面上，保证了龙门吊顺畅的直线运动。

多吊点的起吊系统

和传统龙门吊模块化吊装的工业定位不同，“宏海号”的应用更多的是在大型船只和结构件的整体吊装。这除了对起重能力有所要求之外，还要保证起吊载荷的均匀分布。因此“宏海号”的起吊系统利用基本的滑轮杠杆原理采用多吊具、多吊点同时均匀起吊。

为了降低龙门吊的整体重心，起重装置的卷扬机均布置于桁架结构的支撑腿内。

同时为了在主梁上还额外加装了两台悬臂式桅杆起重机，使得和主梁下方的起吊点保持了一定距离，从而保证了对于大型件的起吊平稳性。

结语

目前“宏海号”已经正式服役，完成了国内外多个半潜船和海上平台的生产订单。尽管目前全球油价低靡，海工市场也随之受到了一定的冲击，“宏海号”的2#机组还未完成装配。但以“宏海号”的表现，足以称得上当之无愧的世界之最。

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编辑| 李祖希