（机械工程专业论文）行星差动抓斗卸船机设计软件的研究与产品开发.pdf

大连理工大学工程硕士学位论文 摘要 抓斗卸船机以其对物料和接卸船型适应性强等优点，在国际、国内散货装卸港 口得到广泛应用。我国是八十年代初开始整机引进国外的产品。随着国内散货码头 的不断发展和建立，对抓斗卸船机的需求量也在不断增加。各大公司、院校也在进 行针对抓斗卸船机的开发和研究工作，使抓斗卸船机的制造方式由整机进口走向国 内自行设计制造的发展和完善之路。 抓斗卸船机是一个独特的成套而且复杂的机械，在整机设计和组合过程中，即 要考虑其技术参数和性能的科学合理性，还要考虑其经济性和机械、电气和结构方 面配套的一致性。 行星差动四卷筒抓斗卸船机是近年来被各大港口尤其是电厂煤码头广泛采用 的一种抓斗卸船机形式。其独特的小车运行驱动方式使绳系大大简化，使用维护成 本大大降低。并且受力更加合理，使整机自重降低，从而降低码头投资。 本文将结合本人多年来在抓斗卸船机设计领域内的实际经验，分几大部分介绍 四卷简桥式抓斗卸船机的基本原理、关键技术。以及设计过程中所采用的些新方 法、新思路。也可以说是多年来在抓斗卸船机设计工作上的一个总结，希望能给从 事抓斗卸船机设计和研究的读者提供一些实践中的依据。 关键词：行星差动四卷筒抓斗卸船机 行星差动抓斗卸船机设计软件的研究与产品开发 d e s i g n s o f t w a r er e s e a r c ha n dp r o d u c t sd e v e l o p m e n to ng r a b s h i p u n l o d e r w i t h p l a n e t a r y d i f f e r e n t i a lm o t i o ng e a rr e d u c e r s a b s t r a c t t h eg r a bs h i p u n l o a d e r sa l e w i d e l yu s e di na b r o a da n dd o m e s t i cp o r t sf o r b u l k m a t e r i a l u n l o a d i n gp r o c e s s i n ga p p f i c a f i o n s f o ri t s a d v a n t a g e s a n df o ri t s s u p e r i o r a d a p t a b i l i t yt od i f f e r e n tm a t e r i a lt y p e sa n d v e s s e lm o d e n n l eg r a bs h i p u n l o a d e ra n di t s t e c h n i q u e sw e r ei m p o s e dt oc h i n as i n c e8 0 s o fl a s tc e n t u r y p a v i n gt h ec o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t a n d d e v e l o p m e n to f d o m e s t i c b u l km a t e r i a l t r a n s p o r t a t i o np o r t s ，t h er e q u i r e d q u a n t i t yo f 罾a bs h i p u n l o a d e r si n c r e a s ef a s t a tt h es g l r l et i m e ，l o t so f m a n u f a c t u r e r sa n d c o l l e g e sa r ei n v o l v i n g i nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f g r a bs n p u n l o a d e r s ，a l lt h e i re f f o r t s a l ef o c u s e do nt h e d e v e l o p m e n t a n dc o n s u m m a t i o no f a l e f t e dt h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r e o f t h e s h i p u n l o a d e r sf r o m w h o l e - s e t i m p o s e d t od o m e s t i c p r o d u c t i o n ， t h eg r a bs h i p u n l o a d e ri sac o m p l i c a t e dm a c h i n e r yw i t h s p e c i f i e df u n c t i o na n d m e c h a n i s m s d u r i n gt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o np r o c e s s i n g ，t h e r ea l el o t so ff a c t o r ss h a l l b ec o n s i d e r e ds u c ha sr a t i o n a l i t yo f c o m b i n a t i o no f t e c h n i c a l p a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c e ， i t sc o n s i s t e n e yo i lc o m b i n a n o no f i t se c o n o m i c a l e f f i c i e n c ya n d e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a l s e t f o r m t h ef o u r - d r u mw i t hp l a n e t a r yd i f f e r e n t i a lm o t i o ng e a rr e d u c e r sm o d e li saw i d e l y u s e di nm o s tp o r t s e s p e c i a l l yi np o w e rp l a n tp o r ti nr e c e n ty e a r s i t ss p e c i a lt r o u e y t r a v e l i n g c o n t r o l u n i t m a k e t h e w i r er o p e l a y o u t m u c h m o l es i m p l e a n d a l s o g r e a t l y r e d u c e t h ec o s tf o rm a i n t e n a n c e t h i sm o d e l sf o r c ea r r a n g e m e n ti sa l s ov e r y l o g i c a la n d w i t ht h i s a d v a n t a g e i ta l s or e d u c e st h es e l f - w e i g h to f c r a n ea n dl o w e r st h ec o s t o f p o r t i n v e s t m e n t 1 1 1 i s p a p e rp r o v i d e st h eg e n e r a li n o d u c t i o n sf o rb a s i cp r i n c i p a l k e yt e c h , n e w m e t h o d sa n dt h o u g h t si nd e m g nf o rt h ef o u r - d r a mg r a bs h i p u n l o a d e r a l lt h e s ec o n t e n t s c a l lb ec o n s i d e r e da sas u m m a r i z a t i o n o f y e a r so f w o r k i n g o ns h i p u n l o a d e rd e s i g n a n di t g a i tp r o v i d e h e l p t oa l lt h er e a d e r sw h o ma r e p a r t i c i p a t i n g i ng r a b s h i p u n _ l o a d e rd e s i g na n d r e s e a r c h k e yw o r d s ：p l a n e t a r yd i f f e r e n t i a lm o t i o n ，f o u r - d r u m , g r a b ，s h i p u n l o a d e r u 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名：日期： 大连理工大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 全球贸易一体化的发展加剧了世界范围内对散科运输的广泛需求，从大类商品 来看，铁矿石、煤、粮食等散货的海运量上升呈快速增长的态势。根据2 0 0 5 年中 国港口市场预测研究报告的结果。去年世界干散货运量增长5 ，特别是五大主要散 货增长8 ，其中铁矿石增长1 3 。从地区来看，亚洲增长最大，达到1 9 雕增幅， 而中国内地进口量增幅高达2 4 ，表一是三大主要散货运萤的统计结果。 袁1 - 1 三太主要敖货运量 t a b l e1 - 1t r a n s p o r t a t i o nf i g u r e sf o rt h r e ek i n go f m a j o r b u l km a t e r i a l s 世界散货运量( 亿盹) 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 铁矿 4 1 74 1 14 5 44 5 24 7 55 0 1 煤炭 4 7 34 8 25 2 35 6 55 7 55 8 粮食 1 9 62 22 32 3 42 22 7 伴随这一发展的是远洋散货运输船舶的不断更新，大型专业化铁矿石码头向 1 5 3 0 万吨发展。随之带来的就是能够停靠和接卸这些大型船舶的超级大港的建设和 对散货装卸船设备的需求，散货船型的加大也为散货装卸船机设备的设计和制造提 出新的挑战， 1 2 桥式抓斗卸船机在国际国内的发展 散货卸船作业采用间歇的抓斗系统已经有一百多年的历史，近年来，人们在不断 的追求降f 氐散货运输成本，加大散货运输船只，同时对抓斗卸船机的发展起到了促 进作用。抓斗卸船机向着大型、高效、低污染、易维护、高可靠性发展。 现代卸船机的技术创新大都围绕着小车数量、钢丝绳的缠绕方式和驱动方式等 几个方面进行研究和开发工作，以求来满足降低整机自重，使抓斗在小车运行时抓 斗走水平，无位能变化，改善钢丝绳的缠绕方式来延长钢丝绳的使用寿命，降低维 修费用等要求，四卷简驱动方式的抓斗卸船机正是在这种需求下发展起来。 桥式抓斗卸船机与连续卸船机相比，虽然在环境保护、整机自重及效率系数等 方面处于劣势，但其在对物料和船舶的适应性、营运成本以及避免波浪引起的船舶 颠簸对卸船机的损伤等方面，却具有连续卸船机无法取代的优势。加之在国内，连 行星差动抓斗卸船机设计软件的研究与产品开发 续卸船机并没有得到充分认识，因此，桥式抓斗卸船机在近年来的卸船机市场中占 有相当大的比重，是各大港口、电厂的散货卸船设备的首选。 在国外，抓斗卸船机的发展始终走在我们的前面，其技术发展水平已经相对成 熟。但近年来针对环保、高效两太主题，国外的专家、学者作了大量的工作，设计 制造出很多代表世界先进水准的抓斗卸船机。在大型化方面，国外的抓斗卸船机的 起重量已经达到8 5 t ，生产率已经达到5 1 0 0 t h 。许多突破传统概念的抓斗卸船机已 经出现，有代表性的就是特殊缠绕形式的八绳抓斗卸船机的出现。另外电气差动四 卷筒卸船机的出现也引起抓斗卸船机技术上的革命。 近几年来，国内电力供应紧缺状况所引发的煤炭运输需求的急剧增长带来了适 应3 5 万吨到7 万吨级别散货船舶的中小型抓斗卸船机的广泛需求。仅根据国内过 去的近3 年来的抓斗卸船机市场状况分析，生产率从5 0 0 t h - - 2 5 0 0 t h 的抓斗卸船机 的生产总量就有近百台，期中电厂的需求占了绝大部分。 但是国内卸船机的这种发展势头并不让人乐观，卸船机的形式较为单一，而且 大多是吸纳国外成熟技术，但对卸船机的核心技术并未完全掌握，尤其是在电控系 统方面，总是脱离不了国外公司的控制。抓斗卸船机的防摇摆技术主要依靠的是电 控系统，在国内，各大院校、厂家也作了大量的工作，但是距离工程实际还相差很 远。 1 3 本文工作概述 本文将结合本人在抓斗卸船机设计工作中的实际情况，对抓斗卸船机的关键技 术进行探讨，尤其是行星差动四卷筒抓斗卸船机的设计原理和计算程序的开发工作 中的获得了一些重要的实践经验，在实际产品中使用也取得较理想的效果。 长期以来，我国的抓斗卸船机技术很大程度上依赖于国外。尤其是电控系统几 乎全部垄断在a b b 、s i e m e n s 等公司的手中。这种境况与我国的现有用户对国内 的技术水平的信任程度有关，也与我们各专业厂家、院校在这方面所投入的精力有 关。 经过多年的研究和探索，国内的卸船机发展水平已经有了飞跃式的发展，整机 的设计已经完全可以依靠国内技术。尤其是近几年来被各大新建电厂的广泛采用的 四卷筒驱动形式的抓斗卸船机已经得到国内用户的普遍认可。 基于计算机技术的程序化设计方法已经成为现代抓斗卸船机设计的一大特点。 已经被广泛采用的c a d 技术以及三维动态仿真技术的应用为抓斗卸船机的设计和 制造提供了更加广阔的发展空间。 2 大连理工大学工程硕士学位论文 本文主要基于本人多年来在抓斗卸船机设计领域内的实际经验，对抓斗卸船机 设计过程中的关键技术进行阐述。并利用m i c r o s o f t e x c e l2 0 0 0 以及内嵌的v i s u a l b a s i c 程序对抓斗卸船机设计中的计算过程进行开发设计。 程序中主要有设计输入总表、生产率计算、抓斗选择、电机选择及机构计算等 几个模块。设计输入总表是计算程序的总的基本参数的输入模块，也是程序基本的 参数入口。 通过基于e x c e l 程序s h e e t 表的功能，可以方便快捷地在生产率计算抓斗选 择、电机校核等模块内切换。程序中还包含了部件选型库以及f e m 、g b 标准数据 序列库。在机构计算的同时就完成了部件的选型工作。 程序还提供了抓斗循环曲线的绘制的功能，可以通过对抓斗理想抓取曲线和设 定抓取曲线的对比，对各机构的速度进行调整从而实现抓斗循环曲线的最优化。 程序的最终输出是直观的e x c e l 表，用以指导整机的设计和机构的详细设计 工作。 3 堑星薹垫塑兰塑塑塑塑生鏊堡墼堑窒皇兰曼墅垄 一 第二章抓斗卸船机概述 2 1 抓斗卸船机的工作原理 抓斗卸船机的工作是通过抓斗闭合绳的作用产生挖掘力在船舱内取料，在起升、 开闭钢丝绳的共同作用下完成起升动作。在小车系统的带动下，满载的抓斗运行至 料斗上方打开抓斗，进行抛料的动作。空载抓斗在小车系统带动下回到船舱，然后 进行下一个卸船过程。 由抓斗卸至机内料斗的物料通过振动给料机或带式给料机进入地面皮带，完成 整个卸料过程。 2 2 抓斗卸船机的分类及组成 抓斗卸船机根据小车的驱动方式的不同，分为两种形式：绳索小车桥式抓斗卸 船机和自行小车抓斗卸船机。 绳索小车桥式抓斗卸船机小车运行的驱动方式，是通过机器房中绕在驱动卷筒 上的钢丝绳牵引实现小车的运行。开闭机构的布置位置又分为设置在小车上( 又称 半牵引) 、设置在机器房内( 又称全牵引) 两种形式。在国内外，应用最多的是全 牵引式。根据小车的驱动方式全牵引式可分为补偿小车式和四卷筒行星差动式。 ； 图2 1 补偿小车式 f i g 2 - 1e q u a l i z i n gt r o l l e ym o d e l 1 牵引卷筒2 开闭卷筒3 起升卷筒4 张紧装置5 补偿小车6 主小车7 抓斗8 快速接头9 补偿绳1 0 张紧储绳卷筒 1 d r i v i n gd r u m 2 c l o s ed r u m3 h o l dd r u m 4 r o p e t e n s i o nd e v i c e 5 e q u a l i z i n gt r o l l e y 6 m a i n t r o l l e y7 g r a b8 q u i c kc o n n e c t o r9 e q u a l i z i n gr o p e1 0 ，t e n s i o nr o p es t o c kd r u m d 大连理工大学工程硕士学位论文 q 赎礤 - 尊 图2 - 2 四卷简行星差动式 f 龟2 - 2f o u r - d r u m w i t h p l a n e t a r yd i f f e r e n t i a lm o t i o ng e a rr e d u c e r sm o d e l 1 开闭卷简2 起升卷筒3 抓斗小车4 抓斗5 导向滑轮6 行星减速器7 快速 接头 1 c l o s ed r u m2 h o l dd r u m 3 g r a bt r 0 1 1 e y4 g r a b 5 g u i d i n gp u l l e y 6 p l a n e t a r yg e a rr e d u c e r7 q u i c kc o n n e c t o r 四卷筒行星差动牵引式抓斗卸船机是近几年逐步发展起来的一种新的驱动形式 的抓斗卸船机，没有单独的小车运行机构，通过行星减速器的差动原理，实现抓斗 小车的运行。 目前，以上几种小车驱动形式的卸船机除了自行小车式外都有的应用，根据码 头吞吐量的需要及接卸船型的要求，其生产率由5 0 0 t h 5 1 0 0 t h 不等，起重量最小 的有5 t ，最大的起重量可达8 5 ，能适应3 0 万吨级以内的船型。自行小车式由于起 升、开闭、小车运行机构均集中在小车上，移动载荷过大所引起的结构上的重量的 增加使设备对码头的要求也相应增加，这神驱动形式已经逐渐被淘汰。 抓斗卸船机主要由起升开闭机构、臂架起升机构、小车运行机构、大车运行机 构，电控系统及各种安全保护装置以及支撑这些机构的金属结构等组成。各机构联 合动作完成抓斗从运输船到码头之间的装卸工作。 5 行星差动抓斗卸船机设计软件的研究与产品开发 2 3 四卷筒抓斗卸船机原理 从取料方式上来讲，四卷筒行星差动形式和补偿小车形式的卸船机没有什么差 别，都是通过四绳抓斗从船舱内取料。二者最大的差别是在小车的驱动方式上。从 图一、图二我们不难看出，四卷筒行星差动抓斗卸船机没有了补偿小车形式的独立 而且复杂的牵引机构和钢丝绳缠绕系统。 通过抓斗小车海、陆侧钢丝绳的张力差形成小车运行的驱动力，小车运行的驱 动力是由布置在两个行星差动减速器之间的小车运行电机提供的。 从下表中我们可以看出机构的动作关系。 表2 - 1 电机与卷简之间的转动关系 t a b l e2 - 1t h e r o t a t i n gr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n d r u m sa n dm o t o r s 电机转向起升卷筒a起升卷筒b开闭卷筒a开闭卷筒b +0o 起升电机 0o +00+ 开闭电机 0o + l + 小车运行电机 注：从起升一侧看电老u 顷时针为“+ ”、逆时针“一”、停止为“0 ”。 n o t e ：v i e w f r o m h o l d d r u ms 讯自d i r e c t i o n f o r m o t o r c l o c k w i s e i s “+ ”，a n t i c l o d c w i s e i s “”，a n ds t q d i s w 表2 - 2 卷筒与抓斗之间的转动关系 t a b l e2 - 2t h e m t a t i n gr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n d r u m sa n dg r a b 抓斗动作起升卷筒a起升卷简b开闭卷简a开闭卷简b 抓斗起升 牟 + - l + 抓斗下降 抓斗打开 0o 抓斗闭合 o0 l + 小车向陆侧运行+ | 小车向海侧运行 j _ j 一 注：定义卷筒收绳为“+ ”、放绳为“一”、停止为07 。 n o t e ：d r u m r o p et e n s i o ni s “+ ”，d r u mr o p el o s si s “”，a n ds t o pi s “0 ， 垄里三查塑墨翌主兰垡垒茎 ，_ - _ 一一 图2 - 3 抓斗起升 f i g 2 - 3g r a bu p w a r d s 图2 - 4 小车运行 f i g 2 - 4t r o l l e yt r a v e l i n g 7 行星差动抓斗卸船机设计软件的研究与产品开发 2 4 四卷筒抓斗卸船机的优点 同补偿小车形式的抓斗卸船机相比，四卷筒抓斗卸船机的优点是显而易见的。 从总体方案来说，由于机构布置形式，决定了补偿小车式的小车运行机构不易 与起升、开闭放在同一平面，造成机器房又高又大，此种型式减少外部机构数量， 使小车运行机构同起升、开闭机构组为一体，节省了摆放空间，降低自重。图2 - 4 是四卷简行星差动抓斗卸船机的机器房布置，图2 - 5 是补偿小车抓斗卸船机的机器 房布置。 图2 - 5 补偿小车抓斗卸船机的机器房布置 f i g 2 - 5a r r a n g e m e n td r a w i n g f o r e q u a l i z i n gt r o l l e yg r a bs h i p t m l o a d e rm a c h i n e r yr o o m 1 机器房2 俯仰机构3 开闭机构4 起升机构5 小车运行机构 l - m a c h i n e r y r o o m 2b o o m 蜥m c c h m i 3 a o s c m e c h a n i s m 4h o l d m e c h a n i s m 5 ，t r o l l e y t r a v e l i n g m e c h a n i s m 8 一 奎堡里三奎兰三堡堡圭兰垡堡塞 一 图2 - 6 四卷筒抓斗卸船机的机器房布置 f i g 2 - 6a r r a n g e m e n td r a w i n g f o u rd r u m sg r a bs h i p u n l o a d e rm a c h i n e r yr o o m 1 机器房2 俯仰机构3 起升、开闭机构4 p l c 室5 电气室 1 m a c h i n e r yr o c o a2 b o o m 蛐n gm e c h a n i m a3 h o l d c l o s em e c h a n i s m4 p l cr o o m5 ，e l e c 打c i a lr o a n 四卷简抓斗卸船机只有个主小车代替了补偿小车式的双小车形式，移动载荷 相对补偿小车式有所降低从而减少了运行时对门架的冲击，改善了门架钢结构的受 力状况，实际上也是降低了对钢结构的水平刚度的要求。 从绳系上我们可以看出，四卷筒形式的绳系及其简单，导向滑轮的数量和补偿 小车式相比减少一半。 对起升、开闭机构来说，四卷筒形式不需要钢丝绳张紧装置。 从缠绕图中可以看出减少了钢丝绳的数量和正反向弯折次数，进而延长了钢丝 绳的使用寿命，减少了钢丝绳的更换和维修次数，降低了维修费用。 补偿小车式缠绕钢丝绳对门架结构附加力较大，而四卷筒型对结构的承压力降 低一半，如图2 - 4 所示，以起重量5 0 t 为例，上图为补偿小车钢丝绳受力分析图，下 图为四卷筒钢丝绳受力分析图。补偿小车在a 点处为门架的前肩梁，在此处有附加 堡茎塑签兰塑塑塑堡生墼壁塑堑壅兰兰曼墨茎 力1 0 0 t ，四卷筒在门架的前肩梁上附加为零 因此使得整个卸船机钢结构自重轻，能耗低 e i 丁 t t 对主梁和臂架的附加力也降低半， 轮压小，降低码头造价。 图2 - 7 受力对比 r i g 2 - 7f o r c ec o m p a r i s o n 1 0 z 5 d 1 大连理工大学工程硕士学位论文 第三章抓斗卸船机的总体设计 3 1 总论 抓斗卸船机的总体设计包括抓斗的选择、生产率计算、载荷计算、轮压及稳定 性验算等几个方面。这部分计算设计输入繁杂，计算工作量较大。利用合适的软件 可以把这部分计算程序化、模块化。 微软公司的e x c e l 软件就是被广泛采用的一种计算软件，其内嵌的v i s u a l b a s i c 编程系统具有较强的二次开发的功能，能够进行方便快捷的工程计算应用程序 的开发。 e x c e l 功能强大的计算功能被广大工程技术人员广泛采用，值得一提的是著名 的k o n e 公司、n o e l l 公司的抓斗卸船机、岸边集装箱起重机的计算程序也均采 用该软件。 计算程序采用的是统一设计输入界面的方式，将设计的基本参数集中到一个界 面上，将方案设计中的主要输入参数集中到一个模块，将大大减少在计算过程中的 出错概率。同时也使数据的维护更加直观、快捷。该界面同时提供与其他计算模块 的切换功能。图3 - 1 是本次设计开发的设计计算程序的主要流程。 图3 - 1 设计计算流程 f i g 3 - 1d e s i g n c a l o d a t i o nf l o w c h a r t 1 1 堑星薹垫塑兰塑塑塑堡生竺壁塑堕窒兰兰曼互垄 3 2 主要技术参数的确定 对抓斗卸船机来说，码头总体工艺确定后，与设计相关的设计参数也就确定下 来了，主要有以下方面： 起重量 抓斗卸船机的起重量是指包含抓斗抓取的物料重量和抓斗的重量的总和。一般 来说也圆整到起重量优先数序列。在方案设计阶段，根据生产率的要求以及物料种 类可以初步确定卸船机的起重量。 码头及水文条件 包括码头标高、设计高水位、设计低水位以及码头的承载要求等。一般都在技 术规格书中提出明确的数值，是抓斗卸船机总体设计所必须考虑的因素。但是一般 各个港口所采用的高程系统不同，在程序中需要进行必要的换算，根据实际需要一 般设置成大车轨道面为高程零点。 设计风速 包括工作状态最大风速、非工作状态最大风速、风向等。王作状态最大风速是 作为大车运行机构计算的最不利因素考虑的。也是抓斗卸船机在工作状态下稳定性 计算的设计依据。非工作状态下的最大风速是验算抓斗卸船机在非工作状态下稳定 性的设计依据。根据g b 3 8 1 1 8 3 定义，风载荷是以风压表述的，本程序要求输入的是 以风速r 蚺作为数据的输入单位。设计输入时需要根据公式q ：0 6 1 3 v 2 ，进行换算。 船型资料 包括船体宽度、舱口宽度、满载吃水、空载吃水等。一般设计是以设计代表船 型作为考核生产率的计算船型。也有兼顾的船型，是作为卸船机设计所能服务的最 大船型，一般不作生产率考核。本程序的船型的输入是利用船型数据表，将代表船 型选择后，程序将读取型宽、型深、满载吃水、空载吃水等参数。 前伸距、起升高度 抓斗卸船机的设计船型基本决定了抓斗卸船机的规模，是抓斗前伸距、起升高 度等主要技术参数的基础。 各机构的工作速度 各机构的工作速度是生产率计算、功率计算等的计算基础，在设计输入表内需 要先初步确定个机构的速度包括：大车、小车、起升、开闭等机构。然后根据初步 的计算结果进行必要的调整。 大连理工大学工程硕士学位论文 图3 2 设计输入主界面 f i g ，3 - 2m a i ni n t e r f a c em e n uf o rd e s i g ni n p u t 程序中提供了方案管理的模块，设计中可以根据工程实际需要在数据库中选择 基本参数接近的产品，选中后，该产品的设计输入参数就被代入当前的设计程序中， 使设计的输入工作大大简化，并且也提供了一种管理设计方案的手段和方法。图3 3 是方案选择的界面。 堑星茎垫塑兰塑塑塑堡生竺堡竺堡窒量! 曼翌垄一 图3 - 3 方案选择界面 f i g 3 - 3s c h e m es e l e c t i o ni n t e r f a c em e n u 3 3 生产率计算 抓斗卸船机的生产率是其主要技术参数，是卸船机额定卸船能力的一种表征， 也是港口设备选型的主要依据之一。但是国内现行标准还没有针对抓斗卸船机生产 率方面的规定，主要依据的是参照国外标准与用户之间达成的共同认可的生产率计 算方法来确定的。也就是说生产率所指的是计算生产率也可说成是额定生产率。它 和卸船机的实际生产效率有关系但还有区别。 卸船机的额定生产率是指在额定工况下抓斗按照一定的循环路线所能够达到的 卸船效率。 根据j i s 标准的描述，额定工况是指在抓斗在平均潮位线与船舱中心线的交点 进行取料作业。但是经研究表明，这种工况仅对物料接近l t m 3 的时候比较适用， 比如煤炭等物料。对物料密度远大于1 0 t m 3 的物料比如铁矿石等物料是不太适用的。 额定循环路线可以说是抓斗卸船机的理论循环路径，它与抓斗的形状、舱口尺 寸、起升和小车运行速度有关。必须满足的条件是抓斗在打开运行过程中不与船舱 口和机上接料板等相碰。还要做到的是要保证抓斗的循环路径最短。确定循环路径 的过程同时也是卸船机速度优化的过程。因为小车运行速度和抓斗起、降速度决定 1 4 大连理工大学工程硕士学位论文 了抓斗循环曲线的斜度，这个斜度值也是影响抓斗摆动控制程序的关键因素。根据 经验其理想比例为1 1 9 ，般为1 1 5 1 1 9 ，若小车在低速下运行则会引起的过分 摆动而难以控制，高速运行的小车其抓斗摆动量小，有利于提高卸船机的效率。在 方案设计阶段根据两个速度的比例关系可以初选出小车运行速度为1 9 倍的抓斗起 升速度。 在抓斗卸船机生产率计算程序中，把基本的设计参数如码头标高、水位、船型 输入后，可以自动计算出抓斗各个阶段的循环时间。并根据各机构动作时间，绘制 出直观的循环时间曲线，通过对机构循环时间确定以后就可以根据公式( 1 ) 计算额 定生产率q 。 q = q f i e f i ( t m ) ( 1 ) a 抓斗平均抓取量( t ) ； a 抓斗的充满系数； 一般取0 9 o 9 5 n 3 6 0 0 ( s y r ( s ) 每小时工作次数； t 卸船机一个工作循环的时间； 下图是生产率计算程序在华润( 常熟 电厂1 5 0 0 t h 抓斗卸船机上的实际应用。 其计算结果与现场试车考核结果基本一致，达到了设计的预期目标。 对于抓斗卸船机生产率来说还有最大生产率和平均生产率这两个重要的概念。 最大生产率是指船位于高水位，满舱时的抓取效率。最大生产率是机内给料系 统以及地面皮带系统容量确定的主要依据。实际生产中也要充分利用最大生产率来 弥补在清舱阶段生产率降低造成的影响。 平均生产率是指总的卸货量与卸完整条船所用的时间( 包括清舱时间) 的比值。 这是最有意义的一个指标。是港口工艺对卸船机设备容量确定的主要依据。这也是 用户最为关心的数字，一般说来可以达到额定生产率的3 5 8 0 ，小的开口驳船 的平均生产率较高，带有舱口的大型驳船约为5 5 6 5 。 以上所说的几个生产率的定义，都可以说成是计算生产率，只能说成是制造厂 与使用者之间达成的一种共识，设备的最终验收还是得通过实船考核。 我国现行的标准在这方面还是个空白，多数依赖制造厂与使用者之间达成的试 车大纲确定的考核方法来实行实际生产率考核。 目前比较被广泛认可的方法是在按照计算额定生产率时确定的抓取点，连续抓 取5 斗物料，进行精确称量，通过平均值确定每斗的物料重量a ( t ) ( 这个过程同时也 是对抓斗抓取比以及抓斗的容积进行考核) 。再分别通过手动、半自动、全自动三 行星差动抓斗卸船机设计软件的研究与产品开发 种操作方式，进行5 次抓斗额定循环时间的考核。也是通过平均的方法分别计算出 三种操作方式的循环时间t ( s ) 。这样通过公式：q = a * 3 6 0 0 t 就可以计算出三种操作 方式下的生产率。 虽然上述的生产率考核方法简单易行，但是往往在实际操作当中买卖双方会有 这样和那样的分歧。比如物料密度、水位、船型、操作者的熟练程度等。相信不久 的将来，我国的标准化组织能够考虑这方面的标准化的完善工作，为抓斗卸船机的 验收工作提供权威性的依据。 一、生亡圭让篡 燧鞲缫篱 黼嚣辫翳辫瞩鬟黧鬻鬻鬻嚣骥翳鬻鬟慧鞴徽簧 劓斗中心莹水倒鼽辽中t 5 盲c s 剐斗边缘莹中心矗c 9 1 i ， i 五塌麦r 叶= = ：= 一 。：。：； ，葛霸覆署霸旆霹矛葡f 一 高木位量走车i l 喇离c w h ) 晦恻蚺追中心兰p 弦的水平睫离( v ) l 3 褂蔓患叶叠一薯：i i - ，| ；= ；= 。： 代衰舶型 甩长c l 】 嚣j 助 阳体捧( d ) 舳体总高( h ) * 篁吃水嘏d ) 空鼓吃水螺( d l ) 半簟- 芑承攘( d l m 绚1 4 裹面至毪口护栏l ；上唾离( h l 】 物辩袁面量太卓轨面离( h 2 ) 抓斗壳全起升时量辩斗边缘前万量小唾高 小车秆崖时抓斗与尚谊糊! 晨小唾离c g ) 抓斗小辈停止位置至科斗中心前方匪离 日tm b 日m 2 0 5 1 盎 2 15 6 im 4 ) t i t 4sx - t t 02 i lm 52 r bm q m m m m m m m m 车m m m m m m 吨晒靶一；o”拍一-!，_o o， 万， n撼；o曳她。s o 惭， n撼；。地她。 。 ： t 大连理工大学工程硕士学位论文 1 5 罐庄簟簟：! _ 。： 抓- ：h 9 5 + i t l t l2 5m f m h 抓津下降遗度i7 5m 胁 抓斗阳台建度 12 5m h m 诅 悱斗张开速度1t 5r d m i n 小革运咛迤度1b or d m i n 1 5 斗簟簟= = 一。i= ：= ：。：- 。 起重壁 i f i 斗白重 抓斗确定舂积 抓取出 蛾宿重量 抓斗细音蠼长度 图3 4 生产率计算输入数据 f i g 3 - 4p r o d u c t i o nc a p a c i t yd a t ai n p u t 1 7 4 at ltt 2 f im j 1 3 a 2 口日ot o n l 口m 础础 蓍衲础 e 2 e 2 0：乱 行星差动抓斗卸船机设计软件的研究与产品开发 抓4 在升( h 1 ) 一 抓斗忘抖时问 i 5 8 5ig7 0m i 抓斗打开 抓斗f t 开时问 i 5 4 3l1o 1 1 0m l 抓斗在科斗上方经过时闻( 空返) 32 4 35 0m 小车运行时闻( 空斗遮阳) l l2 2 f ，2 a 3 0m l 抓斗下降 一 抓斗下睁时闻i i i r 7j2 as 1m i 靶斗!堕量癌口柱扳上方崭蒲时问， 抓斗下酶童喑口栏横上市时闸 l 77 95i9 日1m i ! ；! 墅曼墨塞塞耋耋耋薹堡耋堡；j 兰一当 开始时闻一_ | 辱燎时间， 抓斗i i i 旨jrb 0 ； 抓斗起升t 目口ii 6 6 b ， 小车运打 155 9 ， l22 75 椰斗打开2 5a 9i 54 3i 小车运行2 日日口，122 7 i 抓斗下障“2 bi l lt 7 ， 闻戢时问 4 6 d 51 衄i 卸船帆捌定生产宰( 9 5 抓斗完满， 3 4 抓斗的选择 i 5 9 l 1 5 1 1 5t p a gt m 图3 - 5 生产率计算结果 f i g 3 - 5p r o d u c t i o nc a p a c i t yc a l c u l a t i o nr e s u l t 抓斗的选择是卸船机设计的重点，合适的抓取比是评价卸船机性能优劣的关键， 也是影响卸船机经济性的重要原因。抓斗的选择合适与否也直接影响抓斗起升、开 1 8 查塑奎塑垦婴主兰垡堡茎一 闭电动机功率大小及其驱动机构各部件的因素。如何提高每个循环中有效载荷的重 量也就是说提高抓取比也是抓斗卸船机发展中的一个课题。 抓斗卸船机是快速高效的港口装卸设备，因此如何提高卸船机的生产率是最关 键问题，同时也是当代卸船机的发展方向。由此而来，世界各国的专家提出了提高 卸船机的生产率的三个基本原则： a 、以移动载荷抓斗起重量轻和运行速度快为原则，进而可以减轻自重降低轮 压： b 、减少抓斗循环周期中的间歇或间断时间，既减少抓斗的打开和关闭时间； c 、提高抓斗的每次抓取的物料重量； 根剧上述原则，我们除了在一定范围内来提高速度外，国外的卸船机专家把解 决问题的焦点放在抓斗上。他们提出的口号是要在抓斗上搞一次革命。 由此而来，对抓斗的设计提出如下要求： a 、缩短抓斗的开、闭绳长度，减少抓斗的打开和关闭的等待时间。 b 、提高抓斗的抓取比，增加每次抓取的有效载荷( 以小起重量为佳) 。 欧洲各国经过多年的开发研制，现已经生产出满足卸船机发展要求的抓斗，缩 短了抓斗的开、闭绳长度：提高了抓斗的抓取比。其主要代表公司有德国p e i n e r 和荷兰的n e m a g 公司。在表3 - 1 中列出两个公司的抓斗参数表 表3 - 1 t a b l e 3 - 1 容重起重量容积闭斗绳长抓斗自重抓物料重 抓取比 公司 “m 3 )( t )( m 3 )( m ) ( k g ) ( k g ) 3 2 5 01 01 3 4 51 83 21 7 7 7p e i n e r 3 26 31 2 51 4 4 52 1 54 01 8 6p e i n e r 2 55 01 31 4 0 51 83 2 51 8 0 5p e i n e r 2 5 6 31 6 5 1 5 0 5 2 24 l _ 2 51 8 6 4p e i n e r 2 o 5 01 61 4 4 51 8 53 2l - 7 3p e i n e r 2 06 32 0 51 5 8 52 2 54 ll _ 8 1 4p e i n e r 2 45 51 4 61 2 2 53 53 51 7 5 n e n g 2 85 51 2 51 2 2 53 53 51 7 5n e m a g 行星差动抓斗卸船机设计软件的研究与产品开发 从上表中可以看出，其物料容重为2 2 _ 3 2 t m 3 ，起重量为5 0 6 0 i 时，p e i n e r 公司的抓斗抓取比为1 7 3 1 8 6 ，同时还可以看出抓斗的抓取比与物料的容重和抓斗 的起重量同时成正比，即起重量越大抓取比越大，这也代表了抓斗发展的一种趋势。目 前在我国卸船机抓斗的抓取比一般控制在1 舢1 7 。对物料密度小的如煤炭等取小 值，对物料密度较大的如矿石等相应地应该取大值。 但是抓斗卸船机所使用的抓斗的抓取比并不是越大越好，除了考虑抓斗寿命的 原因之外还需要校核抓斗的开斗能力。由于钢丝绳的下挠所引起的抓斗闭合也是值 得重视的问题。 图3 - 6 抓斗开闭斗能力校核 f 绝3 - 6g r a bh o l d c l o s ec a p a c i t yv e r i f i c a t i o n 图3 6 是计算程序中抓斗开斗能力校核的模块。根据校核的结果进行抓取比的 调整或者布置方案的调整。如果抓斗的开斗能量不够也就是说上述计算中p g ， 大连理工大学工程硕士学位论文 抓斗将无法正常打开，尤其是在抓斗位于最大外伸距的位置，这种情况尤其严重这 样就需要在主小车和固定滑轮之间设置托绳装置。 托绳装置分为固定托绳架和移动托绳小车两部分。这将在第5 章详细阐述。 3 5 抓斗的循环曲线的绘制 根据以上计算结果，程序提供绘制抓斗循环曲线的功能。通过这一功能可以形 象地绘制出抓斗在额定工况下，抓斗的实际循环路径。 抓斗的循环路径上，船舱口的开度和接料板的伸出位置是影响循环曲线的两大 因素，实际路径需要保证抓斗无论是开启与闭合都要与二者保持一定的安全距离， 循环曲线的绘制，我们很容易就能发现其中的问题，也是对计算结果的一种检查方 式。 循环曲线的绘制是利用e x c e l l 中绘制图表的功能，将码头参数、船型参数、 上述的控制点信息以及不同区段的抓斗的位置转化为坐标点。利用绘制图表的“x ，y 散点图”的功能绘制出抓斗的循环路径