抓斗卸船機載荷分析

吳建兵，楊 凱

(湖北第二師范學院 物流智能化研究所，武漢 430205)

作為散料裝卸碼頭主力裝卸設備，抓斗式卸船機主要用于大宗貨物如煤炭、沙、礦石、散糧、化肥、水泥的裝卸。抓斗式卸船機具有技術成熟可靠、機動靈活性好等優點，主要缺點是間歇作業，有一半是空程，容易產生堆料、溢料等現象。開斗卸料產生的大量粉塵，也對環境造成了不利影響。目前，中國用戶占據全球抓斗式卸船機市場一半以上。

抓斗式卸船機的卸船能力一般在100t/h—2000t/h。起重能力僅有幾十噸，但設備自重通常都比較大，自重成本在整機成本中占相當大的比重。因此，對這類大型設備設計計算的核心任務是使設備在滿足規范要求的前提下，盡量優化設計。通過對大型抓斗式卸船機的結構、工作原理、載荷及載荷組合的分析與研究，可以為大型抓斗式卸船機的設計、制造提供計算基礎，也能為其它形式卸船機的設計計算提供借鑒，具有較大的理論意義和實際應用價值。

1 抓斗式卸船機的結構及工作原理

1.1 抓斗式卸船機基本結構

如圖1所示，抓斗式卸船機主要有以下幾個部分組成：電液抓斗、液壓臂部件、回轉部件。本文主要針對液壓臂部件進行載荷組合及分析。

圖1 200t/h 抓斗式卸船機整機結構

1.2 抓斗式卸船機工作原理

抓斗式卸船機工作時，根據貨船的位置以及物料的堆積情況，由電液抓斗挖掘物料并從船艙中取出，經回轉部件與液壓伸縮缸工作，將物料經過回轉部件中的導料槽送至料倉上方，至此完成卸船過程。

2 抓斗式卸船機基本工況

本項目為200t/h抓斗式卸船機，根據碼頭水位等情況，確定主要工作參數如表1所示。

表1 抓斗式卸船機主要工作參數

在工作狀態下，根據水位的變化和工作要求，參照抓斗式卸船機整體結構，抓斗卸船機工作狀態下的3個極限位置如圖2所示。

圖2 抓斗卸船機工作狀態的極限位置

3 抓斗式卸船機載荷

根據中國機械工業標準匯編(起重機械卷)[1]和港口起重運輸機械設計選型與使用維護及質量檢驗標準規范實用手冊[2]，作用在抓斗式卸船機結構上的載荷主要分為基本載荷、附加載荷及特殊載荷三類(GB3811-83)。

3.1 基本載荷：指始終和經常作用在抓斗式卸船機結構上的載荷，即卸船機正常工作的時必然出現的載荷，主要包括：

3.1.1 自重載荷PG

自重載荷是指卸船機鋼結構、動力與電氣設備及其他輔助裝置等的重力。自重載荷的作用方式視計算類型及結構特點而定，整體計算時將自重載荷視為通過各個部件中心的集中力。進行結構剛度和強度計算時，箱形結構的自重沿梁長均勻分布。

自重載荷由于起升載荷在不穩定運動時對結構產生的沖擊作用，引入起升沖擊系數μ1考慮，起升載荷在不穩定運動時產生的垂直附加動載荷，引入起升載荷動載系數μ2考慮。

(1)起升沖擊系數μ1

當起升質量突然起升或下降時，自重載荷將產生沿其加速度相反方向的沖擊作用。在考慮這種工作情況的載荷時，應將自重載荷乘以起升沖擊系數μ1，0.9≤μ1≤1.1，取μ1=1。

(2)起升載荷動載系數μ2

當起升質量突然起升或下降時，對承載機構和傳動機構將產生附加的動載荷作用。在考慮這種工作情況的載荷時，應將起升載荷乘以大于1的起升沖擊系數μ2。μ2的值一般在1.0-2.0范圍內，起升速度越大、系統剛度越大、操作越猛烈，μ2的值越大。根據中國機械工業標準匯編(起重機械卷)，取μ2=2。

3.1.2 起升載荷PQ

起升載荷是指在抓斗卸船機正常工作的情況下起升質量的重力，起升質量主要包括允許起升的最大質量和起物裝置的質量。在卸船機正常工況下，允許起升的最大重量和起物裝置的重量即為卸船機所承受的起升載荷。當起升質量部分或全部突然卸載時將對結構產生動態減載作用，引入突然卸載沖擊系數μ3考慮。減小后的起升載荷等于突然卸載沖擊系數μ3與起升載荷的乘積。根據中國機械工業標準匯編(起重機械卷)，突然卸載沖擊系數μ3的計算公式為：

式中：Δm-起升質量突然卸去的那部分質量(kg)，m-起升質量(kg).

對于抓斗類起重機械，β3=0.5，則μ3=0.15

3.1.3 水平慣性載荷Pi

水平慣性載荷是指回轉機構起(制)動時引起的水平慣性載荷。由JIs B 8831[19]可知：

Pi=Wigβ

式中：Pi-慣性力(N)，Wi-運動部分的重量(kg)，g-重力加速度(m/s2)，β-慣性力計算系數。

慣性力計算系數β因運動方式不同而不同。本卸船機主要運動是回轉部件的回轉所產生的慣性力，即為回轉部件、液壓臂部件、電液抓斗部件及其相關附件所產生的重力乘以慣性計算系數。

3.1.4 挖掘阻力Pd：是指卸船機在工作過程中，取料機構因挖料而受到的阻力。挖掘阻力的大小不僅與電液抓斗自身的結構參數有關，還與被挖掘的物料的相關特性有關，計算過程相當復雜，由電液抓斗供貨方提供。

3.2 附加載荷：指卸船機在正常工作狀態下結構所承受的非經常性作用的載荷(在卸船機正常工作時可能出現的載荷)，主要包括：

3.2.1 風載Ri

工作狀態下作用在卸船機鋼結構上的風載荷。風載荷是由風對迎風物體所造成的空氣動力。露天作業的起重機應該考慮風載荷的作用，風載荷的大小和方向均為隨機的水平動力，在已知風速和風壓的條件下，迎風物體所受的風載荷可表示為：

Ri=CAiq

其中：Ri-作用在迎風物體上的風載荷(N)，C-風力系數，Ai-垂直于風向的有效迎風面積(m2)，q-計算風壓，Pa(N/m2)

(1)風力系數C

風力系數與受風物體的構造、體型和尺寸等因素有關，臂架部分和抓斗為箱型截面，L/H=10-20，查表可得C=1.6。司機室、配重箱及配電柜及電氣設備箱，因懸空，取C=1.2。

(2)迎風面積

卸船機機構的迎風面積，按其凈面積與最不利風向的垂直投影面積計算。本文所涉及的卸船機的結構中，主要為單片結構和雙片結構，且雙片結構多為對稱結構。

(3)風壓

計算風壓規定為按空曠地區離地10m高度處的計算風速來確定。工作狀態的計算風速按陣風風速(瞬時風速)考慮，非工作狀態計算風速按2分鐘時距平均風速考慮。表2為風壓計算標準。

本卸船機在海港碼頭工作，故按沿海計算，取工作時計算風壓250 N/m2，非工作狀態計算風壓1000 N/m2。

表2 室外起重機械計算風壓(N/m2)

(4)風載

根據創建的幾何模型，可直接得到各結構的最大迎風面積。根據迎風物體所受的風載計算公式，可得到抓斗卸船機各主要構件的迎風載荷。

3.2.2 溫度載荷、冰雪載荷及某些工藝性載荷，本文中未予以考慮。

3.3 特殊載荷：指卸船機在非工作狀態下結構可承受的的最大載荷，或在工作狀態下結構偶然承受的不利載荷，包括：

3.3.1 風載Ro：非工作狀態下作用在卸船機金屬結構上的風載荷。

3.3.2 沖擊載荷T：臂架及抓斗組件在旋轉時，卸船機所受到的能使其突然制動的載荷。

4 卸船機載荷組合

以上各種載荷不是同時作用在卸船機上，在同一時刻也并不只有一種載荷作用在卸船機上。在設計計算時應按照卸船機所處的不同工況，按最不利的情況進行合理的組合。

4.1 載荷組合的形式

本文對卸船機載荷的計算，采用的是許用應力法，即構件在任一類組合載荷的作用下求得的結構件或者連接件的計算應力不得大于相應的許用應力，且計算時一般不考慮塑性。根據中國機械工業標準匯編(GB3811-83)，通常采用以下三種載荷組合形式：

載荷組合I-只考慮基本載荷的載荷組合形式，即只包括結構的自重以及相關附著物的自重，工作過程中的活載、挖掘阻力和卸船機行走以及回轉過程中所產生的慣性載荷。

載荷組合II-考慮基本載荷和附加載荷的共同作用。在本文中附加載荷是指卸船機正常工作情況下所受的風載，即在載荷組合I的基礎上加上風載。

載荷組合Ⅲ-考慮基本載荷與特殊載荷，或同時考慮基本載荷、附加載荷和特殊載荷，此附加載荷是指在非工作狀態下卸船機所受的風載，特殊載荷主要包括地震載荷和沖擊載荷。

上述的載荷組合僅用于構件及其聯接的強度和疲勞強度計算，強度的安全系數必須同時滿足載荷組合I、II和Ⅲ三類情況下的規定值，疲勞強度只按載荷組合I的情況進行計算。每一類載荷組合中列出了若干種組合方式，計算時應根據工況和計算目的選取對所計算的結構最不利的組合方式。對于移動載荷，計算時必須使它們對所計算的結構處于最不利的位置。載荷在組合時，總是按它們對所計算的結構和連接最不利的方向疊加。具體組合情況見表3。

表3 載荷與載荷組合

4.2 載荷組合的結果

通過對卸船機工作時的三個極限位置載荷組合的計算，最不利的載荷組合分別為為組合II1、II1、Ⅲ2。

5 結語

大型鋼構起重設備的載荷計算比較復雜。抓斗式卸船機主要工作于各大港口，工作時不僅僅受自身自重和工作載荷的作用，還受各種附加載荷的作用。本文以抓斗式卸船機為例，在卸船機結構基本確定的前提下，分析計算了各種狀態下其所受的載荷，并針對不同工況下進行了載荷組合，確定出卸船機的極限狀態，為卸船機的優化設計提供了可靠依據。