（机械设计及理论专业论文）高抓取比耙剪式抓斗的研究.pdf

r 海海事人学碘上学位论史 摘要 抓斗是广泛用于装卸散货的一种取物装置，凭借其简单灵巧的造型结构、可 靠稳定的工作方式，仍然具有其它取物装置所无法比拟的优点。目前，抓斗在各 国港口应用十分广泛，抓斗依旧是散货卸船的主要装备。 随着当今港口逐步大型化的发展，我们对港口的装卸效率的要求越来越高， 抓- q 一正逐渐成为我们整个装卸系统的瓶颈。为此，如何设计更为合理的抓斗形式， 充分利用起重机的额定起重量，提高抓取比，成为当今我们抓斗设计的大课题。 本项目研究受招商国际委托，为提高其旗下码头竞争力，以大幅提高抓取比 为目标，研发了新型耙剪式抓斗，本文以该抓斗为研究背景，总结了抓斗研发的 过程和在设计过程中所遇到的理论和实际问题。主要内容如下： 1 介绍了新型耙剪式抓斗的成形过程，分析了抓斗的挖掘阻力，结合散货 力学的相关知识和专家、学者的研究成果，通过严密的数学推导和计算，建立了 抓斗仿真挖掘数学模犁，并使用最小二乘法拟合了抓斗的推压阻力，最后通过 v b a 编程，绘制挖掘曲线。 2 运用三维建模软件p r o e 、有限元软件a n s y s 以及虚拟样机软件 a d a m s ，着重介绍了抓斗的建模，强度计算，屈曲计算以及动载系数选取的依 据。结合起重机设计规范，总结了一套可用于抓斗设计的c a e 分析过程。 关键词：抓斗，耙剪式，挖掘曲线，屈曲，动载系数，a n s y s ，a d a m s 海海事大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r a bb u c k e ti sat y p eo ff e t c he q u i p m e n tw h i c hi sw i d e l yu s e df o rl o a d i n g a n du n l o a d i n go fb u l kc a r g o ，d e p e n d i n go ni t ss i m p l ea n dc a b i n e ts t r u c t u r e ， s t e a d ya n dr e l i a b l ew o r k i n gm o d e ；i ts t i l l h a sa nu n p a r a l l e l e da d v a n t a g et h a n o t h e rf e t c he q u i p m e n t s p r e s e n t l y , g r a bi sq u i t ew i d e l yu s e do ne a c hp o r t ，a n d t h eg r a bi ss t i l lm a i ne q u i p m e n tf o ru n l o a d i n go fb u l kc a r g o 。 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o r t s o u rr e q u i r e m e n tf o rt h ee f f i c i e n c yo f l o a d i n ga n du n l o a d i n g i s b e c o m i n gm o r ea n d m o r eh i g h e r t h eg r a bi s b e c o m i n gab o t t l e n e c ko ft h ew h o l el o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e m t h e r e f o r e ， h o wt od e s i g n i n gm o r er e a s o n a b l eg r a bt y p e ，m a k i n gt h eb e s to ft h e r a t e dl o a d o ft h ep o r tm a c h i n e ，i n c r e a s i n gt h ep a r a m e t e ro fg r a b sp e r f o r m a n c e ，h a s b e e nag r a n dt a s kf o rg r a bd e s i g n t h i st i m e w ee n t r u s t e db yc m g 【i n t e r n a t i o n a l 。f o ri m p r o v i n gt h e c o m p e t i t i v ea b i l i t yo fs u b o r d i n a t ep o r t s ，a i m i n ga ti n c r e a s i n gt h ep a r a m e t e ro f g r a b sp e r f o r m a n c ep r o m i n e n t l y , r & dt h en e wt y p eg r a b t h i sp a p e r i sb a s e d o nt h en e wg r a b ；s u m m a r i z ea l lk i n d so fq u e s t i o n se n c o u n t e r e dd u r i n gt h e p r o c e s so fd e v e l o p i n ga n dd e s i g nt h eg r a b t h em a i nc o n t e n t i sa sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c i n gt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gn e wt y p eg r a b ，a n a l y z i n gt h eg r a b s l o a d s c o m b i n i n gt h ek n o w l e d g eo fb u l km e c h a n i c sa n dt h ep r o d u c t i o no f t h ee x p e r t sa n ds c h o l a r s ，w i t hp r e c i s em a t h e m a t i cd e d u c t i o na n d c a l c u l a t i o n ，b u i l d i n g t h em a t h e m a t i cm o d eo ft h eg r a b ss i m u l a t i o n ， a d o p t i n gm e t h o do fl e a s ts q u a r ef o rc u r v e t i e i n gt h ep u s hr e s i s t a n c e ，a n d f i n a l l yp r o g r a m m i n gw i t hv b a ，d r a w i n gt h et r a c eo fg r a b se d g e 2 u s i n gs o f t w a r ep r o e ，a n s y sa n da d a m s ，m o d e l i n gt h eg r a b ，s t r e n g t h c a l c u l a t i o n ，b u c k l i n g c a l c u l a t i o na n di m p a c tf a c t o rc h o o s i n gb a s i s c o m b i n i n go ft h ec r a n ed e s i g ns t a n d a r d ，w ec o n c l u d e as e to fc a e a n a l y s i sp r o c e s s f o rg r a bd e s i g n k e y w o r d ：g r a b ，h a r r o w s c i s s o rt y p e ，t h et r a c eo fg r a b se d g e ，b u c k l i n g i m p a c tf a c t o r , a n s y s ，a d a m s 论文独创性声明 本论文是我本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写 过的研究成果。其他同志对本文研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明 确的声明并表示了谢意。 作者签名：叠b 重 日期：! ：1 6 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保 留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文。保密的论文在解 密后遵守此规定。 作者签名垫至导师签名型羔因 日期：! ! 上海海事大学预：i 二学位论文 1 1 概述 第一章绪论 抓斗是广泛用于装卸散货的一种取物装置，凭借其简单灵巧的造型结构、可 靠稳定的工作方式，仍然具有其它取物装置所无法比拟的优点。目前，抓斗在各 国港口应用十分广泛，抓斗依旧是散货卸船的主要装备。 自8 0 年代以来，水运事业高速发展，货物运输趋向散装化和集装箱化，其 中散货装卸已占整个港口吞吐量的一个重要部分。随着当今港口的逐步大型化， 我们对港口的装卸效率提出了越来越高的要求，为了能够吸引更加巨型化的散货 运输船舶，甚至是班轮，港口上作业的抓斗卸船机也正向大型化、高速化、自动 化方向发展，但是，抓斗的发展极其缓慢，在卸船机越造越大的同时，抓斗却沿 用传统的设计思路，也在越造越重，有时自重甚至过分到超过起重机起重量的一 半，极大浪费了我们宝贵的起重量和能源资源。作为我们港口装卸时第一个接触 物料的机器手臂，其过小的抓取能力正逐渐成为我们整个装卸系统的瓶颈。 为此，如何设计更为合理的抓斗形式，在起重机的数量不变的情况下，充分 利用起重机的额定起重量，减轻抓斗自重，提高抓取比，成为当今我们抓斗设计 的一大课题。 本研究项目受招商国际委托，为提高其旗下码头竞争力，以大幅提高抓取比 为目标，研发了新型耙剪式抓斗，现已在漳州招商局码头投入使用，如图( 1 1 ) 所示： 经过现场调试和测试，对该抓斗进行了一系列优化设计，抓取比趋近2 6 ， 已经趋于粮食类抓斗的抓取比极限，成为抓取比特高的超级抓斗。抓斗抓取比的 提高，对港口的装卸效率有很大的益处，我们可以对目前普通的长撑杆抓斗、先 进的p e i n e r 长撑杆抓斗和我们的新型耙剪式抓斗作一个比较，针对起重量2 5 吨，物料容重为0 7 吨，立方米，在相同的工作时间下，对其一天的抓货量列表 如下表( 1 1 ) 所示： 抓斗自重抓取比每小时循环数一天工作时间一天抓货量 普通抓斗 1 2t 1 13 08 小时3 1 4 4t p e i n e r 抓斗 9 6 t1 63 08 小时3 6 9 6t 耙剪式抓斗 6 8t 2 63 08 小时4 3 6 8 t 表( 1 - 1 ) 抓斗类比 上海海事火学硕二i ：学位论文 图( 1 1 ) 耙剪式抓斗在漳州招商局码头 由此可见，在没有增加港口能耗的情况下，耙剪式抓斗比p e i n e r 抓斗每 天增加6 7 2 吨的卸货量，而比普通抓斗每天增加1 2 4 4 吨的卸货量，经济效果十 分显著。 本文以该新型耙剪式抓斗为基础，逐步叙述了抓斗在研究设计过程中：耙剪 式抓斗的进化过程及工作原理、抓斗挖掘阻力的分析、抓斗挖掘量的数值分析计 算、抓斗总体强度计算过程、抓斗筋板屈曲分析过程，和抓斗动载系数的研究。 1 2 本研究领域的国内外现状 众所周知，为满足当今港口高效率、低能耗的要求，港口抓斗卸船机配备的 多是绳索抓斗，按照结构构造的差异区分，大体可以分为以下三种绳索抓斗：长 撑杆抓斗、耙集式抓斗、剪式抓斗。这三种抓斗的结构型式已经存在了很长一段 时间，而且由于德国p e i n e r 公司在抓斗设计制造方面的领先优势，逐步占领 了中国的主流市场，致使国内的相关部门和科研单位现在已逐步减少对抓斗的研 究与创新，大连理工大学曾经提出的反剪式抓斗，青岛港务局研制的扭矩抓斗、 上海海事大学研制的钳式抓斗等，都已是上世纪8 0 年代的作品了i ”。当然，这 上海海事大学顶：i ：学位论文 不仅仅是由于国外先进制造商的竞争，我们毕竟对抓斗所涉及的散体力学特性的 认识还不完善，抓斗挖掘过程中所遇到的阻力还有待进一步的研究。 目前，我们给抓斗抓取散货的过程，公认的定义为：抓斗刃口切入散体使散 体局部破坏，推压板推压散体使散体发生整体破坏，破坏散体过程称为挖掘的过 程，工作过程中的阻力称为挖掘阻力。散体的挖掘阻力按照其工作方式与特点可 具体分为切入阻力、推压阻力和摩擦阻力。挖掘阻力的大小直接影响工作装置的 性能及工作机械的效率。因此，确定挖掘阻力的大小以及研究挖掘阻力与各影响 因素的关系是产品设计的依据，更是提高机械工作性能与效率的关键。挖掘阻力 是散体工作装置的核心研究问题。大量的试验研究发现：散体的挖掘阻力与散体 的物理性能和力学性能有关( 颗粒度、表面形状、密度、散体对工作装置的摩擦 特性、粘聚力、内摩擦角等) ，与散体的堆积状态及初始应力状态有关，与工作 装罱的表面形状、光洁度、切入角度、切入深度有关，与工作装置的运动方向运 动速度有关，与加载方式有关。影响挖掘阻力的因素如此之多，如何确定挖掘阻 力的大小及阻力与各影响因素的定量关系是一个非常重要的问题。目前，对散体 挖掘阻力的确定与研究的方法有如下几种： ( 1 ) 试验研究确定挖掘阻力的大小 试验研究是最真实、最可靠的研究方法和手段，对实践具有现实指导意义， 在科学研究中一直发挥着巨大的作用。在相似理论指导下的模型试验研究，具有 结论准确，能够发现现象的内在联系，可以对原型所得的分析结论进行校验的特 点。在机理研究不成熟和分析方法不适合的情况下，模型试验研究成为一个最为 重要的研究手段。应用试验确定挖掘阻力大小的研究己有一些文献介绍，在文献 【2 】中，应用了1 ：3 的模型试验研究确定了链斗卸船机的挖掘阻力。在文献【3 】中 用试验方法确定了模型推土板的推压阻力。模型试验的结果可以用于与模型几何 相似的工作装置对力学特性相似散体材料的挖掘阻力的预测。但改变装置的设计 参数或散体材料的力学性能后则不存在相应的比拟关系。用模型试验方法确定挖 取阻力，还存在着一些实际问题，力学性能相似的散体材料很难获得，用原型材 料则会造成散体材料颗粒的几何尺寸与模型的尺寸不相似，造成模型尺寸上的畸 变。更值得一提的是缩尺比例受到限制，一般建议最大为4 5 1 4 j ，大的缩尺比例 将会造成大的误差，而使试验失去意义。 ( 2 ) 试验研究刃口切入阻力与各影响因素的定量关系 试验研究的另一个目的就是确定现象的内在联系。由于刃口的切入与推压板 的推压破坏性质的不同，把刃口的切入阻力与推压阻力分开即作为单独的课题研 究是很合理的方法。通过逐步改变影响参数，然后找出各个参数对切入阻力影响 的表达式。在文献【5 ，6 】中详细介绍了抓斗刃口的切入阻力的试验方法和试验结 3 一 上海海事大学硕：l ：学位论文 果，并给出了经验公式【5 j 【5 j 【“。同样，对于其他形式的工作装置也有相应的切入 阻力计算的经验公式1 8 j 1 9 j 。由于试验可控制改变的因素较多，所得的经验计算公 式比较真实可信，因此，后人很少再去做重复的研究。同时，目前对散体切入破 坏机理的认识不甚清楚，从理论上探索研究的较少。 ( 3 ) 推压阻力的理论分析与试验验证 挖掘过程中的推压阻力是散体挖掘阻力中的一个重要部分，在推力的作用 下，散体发生整体破坏。 散体的推压破坏的过程是个渐进破坏的过程【3 j ，实践表明：散体的推压破 坏阻力与散体堆积的几何形状及其载荷情况有关；与推压板切入角度和深度及推 压板表面状况有关；与散体的力学特性有关：与加载的方式( 如抓斗是对称加载， 链斗及工程机械推压板等是单边加载) 及加载过程( 抓斗、链斗在工作过程中的切 入角度或深度是变化的，工程机械的推土板在工作过程的切入角度与深度是保持 不变的) 有关。 对推压阻力计算，目前所采用的分析方法一般都是极限平衡法或刚体静力学 的方法【6 】。如在文献【6 ，7 】中抓斗r 板初始垂直切入时，按照物料表面水平面， 不考虑颚板底板与散体的摩擦阻力，极限状态下滑移面为通过领板刃尖的一段直 线而构成一个三角形料楔，按刚性料楔建立静力平衡方程，求解推压阻力水平分 量r o ，也按同样方法建立抓斗闭合终了时颚板上方料楔的静力平衡方程，求解推 压阻力水平分量r k 。而抓斗从初始切入到闭合终了挖掘过程的推压阻力水平分量 r n 假定为由r o n r k 按直线变化。实质上，抓斗闭合过程中领板的推压阻力是随 颚板的切入角度、深度、物料表面几何形状或堆积物料重量，领板与散粒物料的 摩擦特性变化而变化，随闭合过程中颗板对称收拢开度系数的变化而变化。而对 初始切入点的推压阻力r o 计算上，忽略了散体与推压板的摩擦的影响，实际的破 坏滑移面是曲面而不是直线，阻力确定是超静定问题不是静定问题，散体并非完 全是理想介质。终点r 的计算上，终点实际挖掘深度是未知的，不能预先给定。 推压阻力计算和挖掘过程仿真需要进一步的研究与探讨【1 “。文献【1 1 】运用模型试 验的方法对抓斗的取料过程中抓斗颚板的推压阻力做了定性分析。 在抓斗强度计算方面，简化的计算公式，保守的安全系数依旧在被我们的设 计人员所使用，尽管有限元软件能够提供更精准可靠的计算结果，在国内也已经 相当普及，但是将其实际应用到抓斗的设计中还为数不多。文献【4 4 】针对抓斗的 斗底板进行过系统的有限元分析，但是，抓斗毕竟是一个整体，单独取出一块斗 底板，其约束情况值得认真推敲以外，斗底板在挖掘过程中所遇到的阻力还存在 一定的争议。再者，抓斗的斗体都是薄壁结构，如何计算抓斗结构的屈曲失稳， 目前还很少有人作专门研究。 d 上海海事大学硕：l ：学位论文 在抓斗强度计算与屈曲计算之前，如何确定抓斗的起升动载系数，这也是本 领域内比较关心的问题，因为这是一个大前提，起升动载系数的选取，直接影响 我们抓斗后面所有的计算工作。起升动载系数取的大，将增加抓斗的自重，与我 们希望高抓取比的初衷相左；起升动载系数取的小，则将直接影响抓斗的寿命， 更有甚者，抓斗的安全存在隐患，曾经就有疏浚抓斗在工作过程中直接掉进水里 的先例。为此，如何提供一个符合抓斗工作工况，而又不趋于保守的起升动力系 数值也是抓斗乃至起重机设计领域内比较关心的课题。 综上所述，抓斗要寻求更高抓取比，就要对抓斗斗型进行不断研究，突破传 统设计思路，进一步研究确认抓斗的挖掘阻力尤其是推压阻力的成分，同时，选 取合理的起升动力系数，为抓斗的强度计算与屈曲计算提供可靠依据。 1 3 本文研究的特色 ( 1 ) 通过分析比较各型双颚抓斗的优缺点，演化出一种拥有高抓取比潜力 的散货抓斗，比较详尽地介绍了该新型耙剪式抓斗的工作原理和创新之处。 ( 2 ) 通过系统地分析抓斗在挖掘过程中的挖掘阻力，对新型耙剪式抓斗建 立平衡方程，通过v b a 可视化编程，绘制抓斗的挖掘曲线来仿真抓斗的挖掘量。 ( 3 ) 提出用于抓斗强度设计比较实用的载荷组合，运用a n s y s 有限元软 件，对抓斗进行了详细的强度计算和屈曲计算。并且据此生产了真实的抓斗，用 户反映运行情况良好，从而证明了本次所进行的计算过程具有较强可靠性和实用 性。 ( 4 ) 分析了抓斗在起升过程中的动力响应情况，并总结了可用于计算的动 力响应公式，运用虚拟样机软件a d a m s 对抓斗的起升过程进行仿真，验证了所 总结的公式，并且得出了抓斗在起升速度6 0m ，m i n 适用于门机操作的起升动载 系数。 上海海事大学硕：i ：学位论文 第二章抓斗的演化 2 1散货抓斗的发展现状 众所周知，为满足当今港口高效率、低能耗的要求，港e l 抓斗卸船机配备的 多是绳索抓斗，按照结构构造的差异区分，大体可以分为以下三种绳索抓斗：长 撑杆抓斗、耙集式抓斗、剪式抓斗。 在怎样的工作条件下，或者说在什么时候应当使用什么形式的抓斗，是使用 者之间常常引起不同程度争论的一个问题。抓斗的购置费用，起重机司机的操作 习惯，对抓斗使用寿命的估计，抓斗工作现场的特殊条件等等，都是可能引起争 论的原因。然而可以大体上指出：如果所有的各型绳索抓斗在一部分散货装卸作 业中( 有时甚至是在同一个装卸作业中) 都被证明是适用的话，那么就应该认识 到，在不同的装卸作业条件与不同的散货情况下，各种型式的绳索抓斗则表现出 各自不同的优缺点。 ( 1 ) 长撑杆抓斗 长撑杆抓斗对各类散货具有良好的适应性，是当今各大港口采用的主流抓 斗，其结构如果单纯从机构学的观点出发，被视为是一个十分简单的平面四杆机 构，其最大的特点就是没有弯矩。很多年以来，人们对长撑杆抓斗的研究怀有很 高的热情，一直保持研究且希望达到的目标是：与抓斗的自重载荷相比，提高抓 斗的充填量：按照用户对抓斗的使用寿命等要求，确定出抓斗最小自重的界限。 就目前来看，长撑杆抓斗还将在相当长的一段时期内拥有被优先选择的条 件。长撑杆抓斗重心位置低，起重机司机便于操作。当要求抓斗具有尽可能小的 自重时，与其它型式的抓斗相比，长撑杆抓斗具有一定的优势。若长撑杆抓斗做 成宽颚板抓斗，当抓斗处于悬吊状态时，抓斗对沿某一方向的转动运动便显得不 太敏感。 长撑杆抓斗的缺点是：从抓斗最佳覆盖面积的有关尺寸比例来看，抓斗的最 大开度相对较小，在抓斗闭合过程中，闭合力矩渐趋减小，尤其当用来抓取大颗 粒的散货时，充填性能明显下降，这与抓斗作业要求相左，故很难在抓取比上寻 求更大的突破。此外，长撑杆抓斗不能很好地适应耙集性的工作。在卸船作业中， 由于抓斗与船舱舱口边缘碰撞，常使受压撑杆弯曲或损坏。 目前在长撑杆抓斗的使用中，中国宝钢的卸船机使用的矿石抓斗抓取比为 1 _ 7 ，已经处于世界先进水平，振华港机将于2 0 0 6 年出口到法国d u n k e r q u e 的卸船机配备的矿石抓斗，抓取比将达到2 o ，已经趋于长撑杆抓斗的抓取比极 限。 6 上海海事大学硕士学位论文 ( 2 ) 耙集式抓斗 耙集式抓斗是第二次世界大战之前为便于相对狭窄的船舱中进行耙集作业 而发展起来的一种散货抓斗。经过几十年之后，现代新式散货船舶已变得相当的 宽敞，相比之下，原先发展这种型式抓斗的思想就显得有些陈旧了。不过在现在 船型的变化过程中，耙集式抓斗则越来越多的出现在内河港口。总的来说，耙集 式抓斗在装卸大颗粒散货和清舱作业中，都能收到良好的效果。 耙集式抓斗的主要特征是它具有一个非常大的开度，因而十分适合于把船舱 底板上的剩余散货耙集在一起。另外，它也适用于长撑杆抓斗不能触及到的散货 仓库角落等处。在抓斗闭合过程中，闭合力矩程渐趋增大的趋势，符合抓斗挖掘 的规律。首批的耙集式抓斗出现在北美沿海各大港口，稍后逐渐被应用于欧洲的 各个港口，如鹿特丹港。习惯上，在临近卸船结束时，即在真正需要耙集散货时， 刊开始使用耙集式抓斗。这时，用耙集式抓斗替换下适于抓取充盈散货的长撑杆 抓斗。不过今年来，也逐渐应用耙集式抓斗抓取充盈的散货。 耙集式抓斗的缺点是：空抓斗处于闭合状态时，由于重心位置不利，增加了 开斗操作上的困难。闭合状态的抓斗搁于料堆或地面上时，容易倾倒。当抓斗装 卸粘结性的货物时，粘结在颚板内侧的散货更加增大了空抓斗开斗操作的困难程 度。如果散货粘结在两颚板之一的内侧时，会使处于悬吊状态的抓斗歪斜。耙集 式抓斗在闭合过程开始时，闭合绳搁置于料堆表面之上，因而受到一定的污染。 粘有物料的钢丝绳卷入滑轮之后，遭受到剧烈的摩擦，容易破断。由于颚板铰点 与刃口之间的距离较大，因而抓斗不易获得良好的切入性能。 ( 3 ) 剪式抓斗 严格地说，剪式抓斗并不是近代的什么新式发明和创造，1 6 世纪时，意大 利著名的艺术家、科学家达芬奇设计过一条挖泥船，在船上就装有一台基于剪 刀原理工作的抓斗。三、四十年之前，在美国和前苏联都曾出现过剪刀类型的抓 斗，用于抓取矿石和木材。6 0 年代中期，荷兰n e m a g 公司从美国引进专利，几 经挫折之后，花费6 年时间，与7 0 年代初刁喘0 造出了真正用于卸船机上的矿石 剪式抓斗。 剪式抓斗的结构型式，可以使抓斗的中心铰轴不必承受扭矩的作用，因而得 到一个结构紧凑和便于修理的抓斗。在抓斗闭合过程中，其闭合绳行程短，大大 缩短工作循环时间。由于剪式抓斗最终闭合的力矩很大，因而在抓取流动性好的 散货时，密闭性能显著变好。应用剪式抓斗装卸粘性散货，当满载抓斗张开，散 货尚未全部卸出而停留在一个颚板的内侧时，抓斗能够对由此引起的歪斜稍作调 整。值得一提的是，与所有其它型式的散货抓斗相比，剪式抓斗上的铰点明显减 少，因而大大地减少了维护保养的工作量。 上海海事大学硕士学位论文 剪式抓斗的缺点是：抓斗在闭合状态下具有较大的结构高度，在装卸大型船 舶或对起重机起升高度有一定要求的情况下，略显不利。由于剪式抓斗顶部装有 闭合滑轮组，其顶部结构显得过于粗壮，闭合状态下重心偏高。剪式抓斗采用柔 性开斗，在结构的限制下，开斗钢丝绳之间过大的夹角对抓斗开斗有一定的难度， 且由于用于开斗的一字横梁不是跟抓斗一个整体，在抓斗闭合过程中可以随意晃 动，容易使司机操作疲劳。 从以上分析可以看出，各型抓斗都有各自的优缺点，如何能够综合各抓斗的 优点，弥补它们的缺点，从而创造一个血统优良的具有高抓取比、低工作循环时 间、低出仓高度的抓斗，是目前我们抓斗设计者都比较感兴趣的课题。我们的耙 剪式抓斗就是这样应运而生了，是我们对实用性高抓取比抓斗的一种尝试。曾经 也看到过标称抓取比达到3 0 以上的抓斗的论文，但是未见过有相应的抓斗投入 生产使用，其理论数据的真实性存在怀疑。 2 2 耙剪式抓斗的形成与工作原理 我们所追求的理想抓斗应该具有高抓取比、低工作循环时间、低出仓高度的 抓斗。那么很显然，要具有高抓取比，抓斗在闭合过程中，闭合力矩应呈现逐渐 增大的趋势，所以，长撑杆抓斗的斗型不适合高抓取比的需要。其次，剪式抓斗 在抓斗闭合时，整体结构高度过高，重心也过高，不易开斗，不适应低出仓高度 的要求。最后，经过我们反复研究后，发现，耙集式抓斗的斗型是一种很有潜力 的斗型，它同剪式抓斗一样，在抓斗在闭合过程中，闭合力矩呈现逐渐增大的趋 势，且挖掘力对白重的依赖较小，整体结构高度和重心均比剪式抓斗低，没有其 一系列附带的麻烦。经过我们研究比较以往发表的对耙集式抓斗的文章中，发现 了设计者对耙集式抓斗的一个定论，就是其开斗机构过于繁琐，结构自重做不下 来，抓取比没有优势。然而定论是可以被打破的，我们对这种斗型抱有极高的兴 趣，经过反复的研究设计，终于攻克并超越了这种繁琐的开斗机构，使耙集式抓 斗成功演化到血统优良的耙剪式抓斗。 耙集型抓斗的闭斗形式，如图( 2 1 ) 所示，其钢丝绳闭斗缠绕系统产生的 闭合力f 在抓斗闭合过程当中对中心铰的力臂l 有越来越大的趋势，在闭合终 了达到最大值，从而导致了抓斗闭合力矩的逐渐增大，符合抓斗闭合过程的需要。 这种闭斗在挖掘性能上对抓斗自重的依赖程度较长撑杆式小，因此抓斗可以相应 做轻，对提高抓斗的抓取比有一定优势。 其次，关键问题就是开斗。正如刚才闭斗分析所知，由于该型抓斗的闭合力 矩在抓斗闭合终了时达到最大值，这就给开斗过程带来很大负担。传统的开斗方 8 上海海事大学硕： 学位论文 图( 2 1 ) 抓斗闭斗方式图( 2 - 2 ) 抓斗开斗方式 式有两种，一种是在抓斗体内装有一套撑杆机构，如图( 2 - 3 ) 所示，由于受力 不合理，撑杆要承受很大的压力，容易失稳，所以撑杆必须做到具有很高的强度， 并且斗体相应部分也要适当加强，极大增加了自重，降低了抓取比优势。另外还 有一种就像剪式和钳式抓斗那样，由抓斗顶部悬挂一字型横梁，依靠钢丝绳拉力 的柔性开斗方式，如图( 2 - 4 ) 所示，由于一字型横梁需要具有一定的长度，否 则 图( 2 3 ) 耙集式抓斗图( 2 - 4 ) 钳式抓斗 上海海事大学硕士学位论文 抓斗将难以打开，一字型横梁本身就具有较大自重，并且其较长的长度尺寸以及 由于抓斗使用过程中经常的晃动问题，很容易跟船体等相互碰撞，给司机操作带 来不便。 为此，本文提出一种全新的开斗思路，如图( 2 2 ) 所示。抓斗的开斗缠绕 在抓斗的两侧，仅仅增加了两对开斗滑轮组，通过简单的钢丝缠绕，利用侧剪原 理开斗，能提供足够的开斗力矩。既没有像传统耙集型抓斗的撑杆那样需要承受 巨大的压力，导致的结构笨重，也没有钳式抓斗由于采用柔性开斗方式所产生的 种种不便。整个结构浑然一体，受力合理，没有应力特别集中需要特别加强的部 分，且增加的这套开斗滑轮组，使抓斗自重没有增加多少，因而提高了抓取比的 优势。 2 3 开斗仿真 开斗机构是本耙剪式抓斗的特色，为了计算开斗力矩有多大，以往都是采用 对抓斗进行受力分析，计算抓斗的开斗力矩和开斗阻力矩，比较两者的大小来确 定抓斗是否能打开。以往有过类似钳式抓斗的柔性开斗方式无法顺利开斗的尴 尬。为于慎重起见，并鉴于耙剪式抓斗的特色，本次专门运用虚拟样机软件 a d a m s 对抓斗的开斗过程进行了仿真。( 关于a d a m s 软件的功能、原理、建 模、钢丝绳模拟等将在第七章详细介绍) 抓斗模型由p r o e 按设计图纸实体建模并导入，钢丝绳有一段段小圆柱加 轴套力来模拟，开斗机构中的钢丝绳缠绕如图( 2 5 ) 所示： 图( 2 5 ) 开斗钢丝绳缠绕图及显示约束情况后的图 开斗机构共使用了参与工作的4 个滑轮( 2 对) ，其它的滑轮均被省略，由 于将来钢丝绳要绕过滑轮，所以在钢丝绳与滑轮之间增加了接触对。在a d a m s 上海海事大学硕：j ：学位论文 所有接触的选项中，最能还原实际情况的是s o l i dt os o l i d 选项，但是由于钢丝 绳分的比较细，使用的小圆柱比较多，造成了大量的b u s h i n g 约束和接触对，计 算量十分巨大，程序运行非常困难，为此，退而求其次，在滑轮上作一个圆环， 把接触对变成小圆柱质心对圆环的p o i n tt oc u r v e 接触，大大降低计算量，使程序 运行变成可能。接触对使用了默认的刚度和阻尼系数。 开斗机构与斗体装配后的模型如图( 2 6 ) 所示： 图( 2 6 ) 钢丝绳上端与大地铰接，使抓斗的闭合力慢慢释放，最终抓斗的自重完全由 开斗钢丝绳承受。经过仿真模拟，从图中可以看出，抓斗的开斗是非常成功的。 图中右边的曲线，为抓斗在开斗过程中，黄色斗体刃口的轨迹，可以看出，在开 斗钢丝绳不动( 不上升或下降) 的情况下，整个开斗过程抓斗刃口下降约 1 6 0 0 r a m 。 2 4 本章小结 通过对目前港口主流抓斗的研究分析，总结了各型抓斗的优缺点，并最终阐 述了耙剪式抓斗的成型思路及工作原理。鉴于耙剪式抓斗开斗方式的新颖性，专 门用a d a m s 软件模拟了抓斗的开斗过程。 i - 海海事火学硕：i ：学位论文 第三章抓斗挖掘数学模型及计算机仿真 一个性能优良的抓斗，在实际应用中，应能平均地达到理论充填量。抓斗充 填量不足，将使起重机的装卸效率降低：充填过量，将使起重机超载。以往抓斗 设计，由于抓斗抓取过程除绕自身中心铰转动运动以外，还受到钢丝绳的拉力而 向上做平动运动，此外由于收到货物非线性的阻力影响，抓斗的挖掘量难以确定。 为此，在设计抓斗时，必须对影响抓斗挖掘过程的有关因素建立仿真模型，利用 计算机仿真技术，检验抓斗的挖掘性能。 计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) ，是一门利用计算机软件模拟真实环境 进行科学实验的技术。实现计算机仿真有两方面的内容：一是计算机软件( 编程) ， 这是在计算机上实现模拟的技术问题：二是对真实的环境进行深入的分析，建立 起准确的数学模型，这是计算机仿真成败的关键，数学模型建立的不准确，仿真 就会失实，得到的结果也就没有多大意义。但是，我们必须要注意到，理论的数 学模型一定首先要通过实验来进行反复的数据对比，修正相应的系数，得到与实 测相符或相近的结果之后，那么我们的数学模型刊是可用的，结果才是可信的。 3 1耙剪式抓斗的工况与受力分析 耙剪式抓斗和起重机之间是柔性联结的。当呈张开状态的抓斗落到物料堆上 后，收紧开闭绳，绳中的张力通过增力装置增力后，使两臂互相接近，颚铲在闭 合过程中，促使物料进入颚铲，随着挖掘深度和被抓物料沿斗底移动程度的增加， 物料对颚铲的阻力不断增大，导致其对中心铰的阻力矩增大。为了继续颚铲闭合 运动，抓斗的抓取力矩也必须相应增大。而抓取力矩是由抓斗自重，开闭绳张力 及其在增力装置上产生的力和装入颚铲的物料重力对中心铰的矩所产生的。因此 我们可以得知抓斗抓取物料的挖掘力是依靠抓斗自重并通过一定的抓斗机构而 产生的。 要检验抓斗的挖掘性能，首先要正确地建立抓斗的仿真数学模型，以求得较 准确的结果，因此抓斗受力分析是深入研究抓斗各参数与抓取性能之间关系的基 础。根据苏联学者透别耳在其1 9 8 5 年再版的抓斗机械一书中所论述的颚铲 在抓取物料时所遇到的阻力以及我们对抓斗所做的试验，颚铲在闭合过程中应克 服的阻力可分为三段：抓斗的切入阻力、抓斗的推压阻力、抓斗的摩擦阻力。由 此，我们可以建立抓斗取料过程的动态仿真数学模型。 在对耙剪式抓斗进行分析时，作了如下简化【l 2 】： 被抓取的物料是均匀的，抓取工况是理想的。 上海海事大学硕士学位论文 抓斗中心铰只是沿铅垂直线运动。 抓斗两边对称，斗体可视为刚体平面运动，取抓斗的一半为研究对象。 在抓取过程中，不考虑斗内物料的翻滚，即认为斗内物料只有平动的堆 积过程。 在具体分析过程中，尚有一些简化条件将在下面相应初说明。 半个抓斗机构的受力情况如图( 3 - 1 ) 所示： 图( 3 1 ) 抓斗受力分析图 符号说明： o 一一抓斗中心铰点 r ，水平刃切入阻力 r 2 推压阻力 r 3 坝9 刃切入阻力 艮钡4 刃摩擦阻力 r 5 水平刃摩擦阻力 g 抓斗自重之半 s 钢丝绳中的张力 n 增力装置倍率 上海海事大学硕：l ：学位论文 0 抓斗斗型角 q x 一已装入颚铲的物料重量 p 颚铲刃口至中心铰的距离 r 增力装置作用中心至中心铰的距离 r g 抓斗自重之半的重一i i , 至中一i i 铰的距离 l ) ( 一一已装入颚铲物料重心至中心铰水平距离 x 颚铲刃口至中心铰的水平距离 口颚铲侧刃口与水平线的夹角 d 增力装置中心与中心铰连线和颚铲侧刃夹角 d 。抓斗之半的重，i i , 与中心铰连线和颚铲侧刃夹角 3 2 耙剪式抓斗的阻力计算 1 抓斗的切入阻力足和r ， 抓斗在挖掘抓取物料的过程中，受到物料的阻力，抓斗要实现挖掘就要克服 切入阻力。切入阻力的方向与颚铲刃口运动方向相反并垂直于颚铲刃口。 文献 6 对抓斗的切入阻力有过深入的研究，并得到了公认的结论：认为切 入阻力值与抓斗的切入方式、抓斗的几何形状参数及物料的物理性质密切相关。 属于抓斗的切入方式有：切入速度、切入深度等；属于抓斗几何参数为：刃口形 状、刃口宽度、刃口厚度、刃口楔角、刃口倾角( 刃口底背角) 以及刃口装齿的 影响等；属于物料的物理性质为：物料粒度、颗粒形状及表面状况、物料密度( 容 重) 、内摩擦角等。至于切入速度对切入阻力的影响，可以忽略不计。 抓斗颚铲的切割周边由不变的水平刃( 等于颚铲宽度) 和两侧的侧刃( 随颚 铲挖掘深度而变化) 组成，所以切入阻力也有两部分组成，分别记为水平切入阻 力r l 和侧刃切入阻力r 3 。根据经验，由前苏联学者导出的切入阻力的计算公式 如下【7 】= ( 1 ) 颚铲水平刃口的切入阻力尼 r l = b x 占p o = 3 l 。y 。g 孑( 占+ n 。) b 。y ( k n )( 3 1 ) 式中：口水平铲刃长度，即颚板宽度( m ) ； 占铲刃厚度( m ) ： 厶物料内摩擦系数； 1 4 上海海事大学硕士学位论文 y 。物料容重( t m 3 ) ； 口。物料平均粒度( m ) ； y 颚铲刃口插入物料内的垂直距离( m ) 。 冠作用于颚铲刃口上，方向平行于可口切入方向，如图( 3 1 ) 。 式( 3 1 ) 表明，切入阻力与物料容重y 。、刃口宽度b 和切入物料深度y 成 线性关系，与刃口厚度和物料粒度成近似线性关系，而与物料内摩擦系数成二次 方关系。 ( 2 ) 颚铲两侧倾斜切割刃的切入阻力月， r 3 = 2 3 1 。g 露( 占+ 口) s i n y l 口_ ( k n ) ( 3 2 ) 式中：占铲刃厚度( m ) ； 厶物料内摩擦系数； y 。物料容重( t m 3 ) ： 4 物料平均粒度( 1 1 1 ) ； y 颚铲刃口插入物料内的垂直距离( m ) ； 口两侧倾斜切割刃与水平线夹角。 b 作用在两侧铲刃口，方向垂直于侧刃口，作用中心近似认为在铲刃与物 料接触线中间距物料表面y 2 处，如图( 3 - 2 ) 所示。 图( 3 2 )切入阻力图 上海海事大学硕士学位论文 2 抓斗的推压阻力r 2 推压阻力是所有阻尼当中最重要的一个阻力，由于其形成因素过多，变化规 律复杂，至今都还没有能够用于精确确定其变换规律的公式。 在抓斗机械一书中，r e 由初状态到末状态r k 按线性变化，即： 妒i x x r o + r k x ”寺 ( 3 3 ) 而试验结果证明，r 2 由初状态r 。到末状态风的变化规律较为复杂，并不是线性 变化的。为此，我们引进土力学知识，尝试把推压阻力抽象为被动土压力来处理。 当移动着的颚板底板推向物料时，水平方向作用在底板上的物料推压力逐渐增 大，当增大到定值时，物料开始沿底板上移，这个压力的最大值称为被动土压 力，根据伦金土力学理论，不考虑粘聚力影响，深度y 处的被动土压强为： p p = k p 。y x g x y ( k n m 2 ) ( 3 4 ) 式中： k ，被动土压力系数，k ，= t g2 ( 4 5 。+ 妒。2 ) ； 物料的内摩擦角( 。) ； y 土的容重( t m 3 ) ： g 重力加速度( r i g s 2 ) ； 实际上被动土压力作用在底板和物料相接触的整个表面上，如图( 3 3 ) 所 示，但由于此时尚不能确定物料在斗内的堆积高度，近似取有效高度等于挖掘深 度y ，接触面积即被动土压力作用面积，其有效水平方向投影面积为图( 3 - 4 ) 中所示的矩形面积。作用在阴影部分的被动土压力为： d p = p 。b d y ( 3 5 ) 图( 3 - 3 ) 推压阻力作用情况图( 3 - 4 ) 料堆水平方向投影面积 上海海事大学硕：i ：学位论文 则斗内物料沿斗底板移动时的水平被动土压力为 r 2 = l d p = l pp b d y = l kp yy g y b d y = j 1 口仉g t 矾4 5 。+ 导) ( 3 6 ) 式中： 妒。物料内摩擦角( 。) ： y 。物料容重( t m 3 ) ； b 颚板宽度( m ) ； r ，作用在底板上，方向水平，作用中心近似认为在离水平刃口y 3 处。 3 抓斗的摩擦阻力r 。和r ； 抓斗的摩擦阻力主要由颚铲侧板的外表面与物料之间的摩擦所引起的阻力 r 。，以及由物料推压斗底板所引起的摩擦阻力尺；，两者的大小均与物料特性及 颚铲表面情况有关。 ( 1 ) 抓斗侧板内外两侧受到的摩擦阻力凡： 当抓斗挖掘时，两侧板内、外两侧受到由于静压力引起的摩擦阻力。当抓斗 挖掘物料时，我们注意它的平面运动，颚铲侧板的运动方向与斗内、斗外的物料 平行，既没有挤压也没有退离。如果我们将颚铲侧板看作挡土墙，则它既没有推 向物料而产生被动土压力，也没有退离物料而产生主动土压力，它更加符合挡土 墙静止时产生静止土压力的情况。因而可以认为斗内、斗外两侧受到的摩擦力就 是由静止土压力造成的。由土力学理论知识可知，在离开料层表面任一深度y 处 的压强为： p o = k o 。y 。g 。y ( k n m ) ( 3 7 ) 式中：静止土压力系数，k 。= 卜s i n q ，。，妒。为物料内摩擦角( 。) ； y 为土的容重( t m 3 ) 。 于是侧板摩擦力示意图，如图( 3 5 ) 所示，整个侧板的摩擦力为三角形a b d 上海海事大学硕：i ：学位论文 的静土压力。设任一单位面积凼上作用的静土压力为 钺xbd 汰7 y c 图( 3 - 5 )侧板摩擦力示意图 勿= p 。d s ( 3 8 ) 则作用在单侧三角形面积a b c 上的总的静止土压力： e = 肛= p 。d s = r 出f 。k 。，m g y a y = 。_ 。g 。l x y 2x 出 = 三r 。 t a n 2 0 ix 出 = i 1 女。“。g 。y 3 啦口 ( 3 9 ) 同理，作用在单侧三角形面积b c d 上的静止土压力为： ：= i 1k 。g 。y 3 c 卵 ( 3 1 0 ) 从而，可以得出作用在侧板内、外两侧的摩擦力为： r 4 = 4 x ( e i + e 2 ) x 辔妒 1 = 喜k o 。g 。y 3 ( c t g a + c t g # ) x 留妒 ( k n )( 3 1 1 ) 式中：口侧板与物料之间的摩擦角( 。) 。 r 。的作用中心近似认为在离水平刃口y 2 处，方向水平，与抓斗平动方向 相反。 ( 2 ) 抓斗斗底板内侧受到的摩擦阻力r ，： 抓斗挖掘时，进入斗内的物料沿底板向上移动，则会对底板产生摩擦阻力， 产生摩擦阻力的正压力将由两部分组成：推压阻力尺，和进入斗体物料的自重。 上海海事大学硕= l ：学位论文 其受力图如图( 3 6 ) 所示 。诌 泌 r 2 ，飞 起重量：2 5t 物料对象：黄豆( 容重0 7 5t m 3 ) 滑轮倍率：2 或3 钢丝绳数量：4 上海海事大学硕：i 二学位论文 其