橋式抓斗卸船機機器電氣房設計

張金貴

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著大型散貨專用船舶的持續發展，大噸位卸船機發展迅速。隨著機型高度變高，內部機構和電氣柜尺寸變大，位于卸船機陸側門腿結構頂部的電氣房也越來越大，其迎風面積增大，結構重量增加，使得整機輪壓增加，提高了碼頭基建和設備制造成本，并且降低了卸船機的安全使用系數。為此，有必要對機器電氣房進行分析探討。

2 功能結構

機器電氣房作為一個整體部件安裝在后大梁上方的陸側肩梁上，主要由底盤、圍棚、屋頂、門窗、通風扇、出繩罩等結構零部件組成。對外界半封閉隔斷，滿足隔熱、防風、防雨、防火、防塵、抗腐蝕、抗臺風等基本要求。

屋頂設計坡度不小于1∶10，四周設置漏水槽，讓雨水能及時排出。屋頂和側面墻壁結構一般采用H型鋼做骨架，外表面采用厚度不小于1.4 mm的鍍鋅波形板或者3 mm的不銹鋼平板做蒙皮，內層采用0.6～0.8 mm的彩鋼扣板或鋁板嵌壓覆蓋，中間層采用薄壁矩形管或者角鋼做檁條，隔熱保溫填充物一般是泡沫塑料、玻璃棉或巖棉等，厚度在50～100 mm。聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)價格較低，安裝方便但阻燃性較差，燃燒時會釋放有毒煙霧。酚醛泡沫塑料的阻燃性優于EPS，但不及玻璃棉，價格較高。泡沫塑料隔熱較好，但是吸音效果相對不佳。玻璃棉和巖棉是無機纖維類產品，價格適中，吸音效果好防火性能佳，是目前比較成熟可靠的吸音隔熱材料。如果對噪聲要求特別高，還可以采用穿孔板加吸音材料的組合辦法來解決。通常機器房內噪聲要求≤105 dB(A),電氣房內噪聲要求≤75 dB(A)。

機器房內噪聲源主要是起升開閉小車運行機構和俯仰機構的電機頻繁正反轉切換，高低速制動器頻繁制動，以及減速箱和支承軸承等其他機械振動摩擦等。由于這些噪聲源來自于卸船機的主要工作機構，降低其本身噪聲的工作難度很大，所以應從加強機器房的隔音入手。

3 熱量計算

機器房的熱源分內外兩個方面，外部主要是環境溫度和太陽的熱輻射，內部主要是減速箱油溫散熱、電機散熱、軸承和機械部件的摩擦散熱等。技術規格書通常要求機器房內的夏季作業室溫要小于40 ℃，房內保持微正壓，散熱降溫的通風換氣次數不小于30次/h。鑒于卸船機是處理散料的設備，工作環境粉塵多，機器房是一個半密閉的防塵空間，無法自然通風，所以一般都會采取機械強制通風的方案。采用帶有空氣過濾器的進風扇和排風扇，進風扇的空氣過濾器用無紡布材料制作，排風扇出風口采用不銹鋼網作防鳥用途，通風扇盡量均布，通風扇罩殼下方凈空高不小于2 m。

通風扇排氣總量為：

Q=qn

(1)

式中，q為單個通風扇排氣量，m3/h；n為通風扇數量；換氣次數為：

M=Q/V

(2)

式中，V為機器房內部空間體積，m3。根據計算結果選擇風扇型號與數量。

電氣房通常是內嵌在機器房內的一個相對密閉房間，電氣房的四壁和頂部采用隔熱、隔音、阻燃材料。室內安裝冷熱兼用的工業空調，以確保制冷后室內的溫度不高于25 ℃，制熱后室內的溫度不低于18 ℃，且專門配備除濕機。電氣房內的布局一般采用的是PLC室與控制柜室分開的模式，PLC室有CMS控制柜；控制柜室內有大車行走、俯仰機構、起升開閉小車運行機構的變頻控制柜、低壓控制柜、低壓配電柜、照明控制柜等。高壓開關控制柜和主副變壓器布置在電氣房外的機房內。

電氣房需要計算熱量轉換作為依據選擇空調的功率參數。

墻壁及屋頂的基本傳熱量為：

Qj1=KF(tw-tn)a

(3)

式中，K為傳熱系數，W/m2℃，取K=5.68/R；R為熱阻值(英制)，當隔熱材料厚度為50 mm時，R=7.4；F為墻壁及屋頂的散熱面積，m2；a為溫差修正系數；tn為室內計算溫度；tw為室外計算溫度。

地板夾層的基本傳熱量為：

Qj2=KF(tw-tn)a

(4)

式中，K為地板夾層的傳熱系數，W/m2℃；F為地板夾層的散熱面積，m2。

玻璃窗的基本傳熱量為：

Qj3=KF(tw-tn)a

(5)

式中，K為玻璃窗的傳熱系數，W/m2℃；F為玻璃窗的散熱面積，m2。

附加吸熱量為：

Qf=Qj(bf-bli)a

(6)

式中，bf為風力修正系數；bli為墻壁修正系數；電氣房的基本傳熱量Qj=Qj1+Qj2+Qj3；電氣房內電氣設備的發熱量Q2；電氣室的總吸熱量Q=Qj+Qf+Q2；根據總吸熱量選擇空調的制冷功率。

4 結構計算

機器電氣房的骨架一般采用門式鋼架結構，H型鋼架立柱與機器房底盤結構焊接在一起，底盤結構就是整個機器電氣房的基礎部分。門式鋼架通常用于跨度9～36 m、柱距6 m、柱高4.5～9 m的機器房，屋面坡度宜取1/8～1/20。鋼架橫梁連接鋼架立柱組成門式鋼架，此種結構的穩定性、空間結構比較好，鋼材用量少，制造簡單，安裝方便。

門式鋼架結構設計主要計算永久荷載、可變荷載與偶然荷載的荷載組合。永久荷載包括外包壓型板與保溫層及覆蓋扣板、檁條、墻架、鋼架立柱、鋼架橫梁、維修行車軌道梁等部件的自重。可變荷載包括維修行車荷載、風荷載、雪荷載、屋面均布活荷載等。偶然荷載包括地震荷載和其他意外事故產生的荷載。在這些荷載中地震荷載一般對于地震多發震區才予以考慮，積雪荷載按FEM規范可以不予考慮，除非在特定地區用戶有此要求[1]，屋面均布荷載一般取0.5 kPa。根據機器電氣房的結構特性，鋼結構計算通常只考慮強度和撓度計算，疲勞計算不予考慮。中級工作制橋式吊車受彎構件容許撓度不大于L/1 000，其中L為受彎構件的跨度。鋼架立柱頂部位移不大于H/400，其中H為鋼架立柱高度。

下面重點研究門式鋼架的垂直風荷載計算。風力作用分為工作狀態風和非工作狀態風，假定風可以從任何方向以常速水平吹來，風載荷對機器房結構的作用是靜態的。風的動壓為：

q=0.613Vs2

(7)

式中，Vs為設計風速，m/s。卸船機的工作狀態風一般為20 m/s,非工作狀態風一般為55 m/s,個別地區為75 m/s。

卸船機機器房的結構風載荷為：

F=AqCf

(8)

式中，A為結構的有效迎風面積，m2；q為設計工況對應的風壓，MPa；Cf為結構部分沿著風向的風力系數，通常機器房的殼結構風力系數為1.10。

鋼架結構簡圖見圖1，計算其僅受單側風均布載荷下的內力[2]。

圖1 鋼架結構形式簡圖

剛架柱與剛架橫梁的線性剛度系數k為：

k=Ib/ICh/s

(9)

式中，Ib為剛架橫梁的平均截面慣性矩,cm4；IC為剛架柱的平均截面慣性矩,mm4；h為剛架柱高度，m;s為剛架橫梁的長度，m。

綜合系數N為：

N=(kh+f)2+4k(h2+hf+f2)

(10)

式中，f為剛架橫梁坡高度，m。

豎直支座反力為：

V=-VA=VE=wh2/2lk/(3k+1)

(11)

式中，V為支座反力，kN；w為均布水平風載荷，kPa。

依據以上載荷分別計算A點、E點的水平支座反力和彎矩，B、C、D點的彎矩。其他雙坡門式剛接鋼架受力情況簡圖和計算公式參見《輕型鋼結構設計指南》。采用塑性分析法確定內力時，對受彎構件的強度計算、穩定性計算按GB50017-2003《鋼結構設計規范》進行[3]。鋼架結構載荷內力簡圖見圖2。

圖2 載荷及內力簡圖

對維修行車的軌道梁、屋頂檁條、側面墻架等可以按照受彎構件來計算，傳統的計算公式較繁瑣，可采用有限元計算更為簡便。

5 底盤結構設計

采用差動減速箱的卸船機通常擁有兩大傳動機構，分別是起升開閉小車運行機構和俯仰機構。底盤一般會設計成密閉的箱體結構，在滿足結構強度和剛度的前提下還要考慮箱體內部電纜托架的布置和電纜的走向。俯仰機構和起升開閉運行機構的運行作用力最終會通過機構底座傳遞至底盤結構上，機構底座的對筋十分重要，鑒于局部區域筋板密集度較高、空間狹小，要考慮焊接空間問題，設計時要分析哪些部位采用短筋和長筋，哪些部位需要形成箱體結構，尤其需要采用合理的焊接順序來規避應力集中的問題，必要時在施工圖紙的技術要求中清晰注明。底盤上表面板盡可能的多設置電纜槽蓋便于穿線，盡量不布置電纜走線槽，使表面平整以免影響工作人員行走。液壓管路和潤滑管路集中布置，在設計布局時要考慮留有足夠的檢修空間。底盤結構一般會設置一大一小2個吊裝孔，大吊裝孔的開孔尺寸要滿足最大檢修件的吊裝，機器房中整體最大件通常是減速箱和卷筒，開孔位置應考慮維修件從機器房到碼頭面的起吊過程中避免與鋼結構發生干涉的情況；小吊裝孔布置在兩大機構的中間，主要作用是更換安裝在運行小車上的改向滑輪。

底盤的整體布局見圖3。電氣房位于底盤的陸側方向，電氣房底盤高于機器房底盤上表面600～900 mm，兩大運行機構布置在底盤的中軸線上，電梯井布置在底盤一側靠近邊墻位置，另一側靠近邊墻位置布置主、副變壓器，高壓開關柜，采用護網欄桿封閉，以免發生危險。如果開關柜布置位置太靠近門口，此處應設置擋雨墻。

1.PLC房 2.潤滑泵站 3.起升開閉機構 4.電氣房 5.排風扇 6.大吊裝孔 7.主變壓器 8.擋雨墻 9.進風扇 10.俯仰機構 11.小吊裝孔 12.液壓泵站 13.電梯 14.防護欄 15.副變壓器 16.高壓開關柜圖3 機器房布置圖

6 其他設計要點

機器房內部上方安裝起升重量為10 t或12.5 t的橋架式維修行車一部，行車軌道安裝在兩側結構立柱的軌道梁上，在電氣房頂部或者電梯井頂部留有通往維修行車的維護通道。在海側墻壁或陸側開孔處安裝防跳繩托輥組或者高分子抗磨塊，在墻壁開孔處外側設防雨防塵罩。機器房內部設置鉗作臺、備品柜及系列維修工具，鋁合金人字梯等。在北方極冷地區可以采用2層密閉門的形式，更好地阻止冷空氣進入電氣房內。機器房屋頂設置一圈維護欄桿，卸船機的使用壽命一般為25～30年，外包波形板尤其是房頂每10年左右重新油漆維護一次，以免銹蝕漏雨。

電氣房內部需要配置工業吸塵器，經常除塵以便減少灰塵對電氣元件的影響。電氣房內部要配置煙霧感應器，或自動感應滅火系統。在機器房和電氣房的便利處布置手提式或者小車式滅火裝置。電氣房地板采用防火板，上面覆蓋厚度4～6 mm絕緣等級10 kV以上的橡膠絕緣地毯。

在電氣房的墻壁上根據情況設置玻璃窗以便觀察機器房內部機構的運行情況。電氣房內部留有足夠的行走空間和電氣柜開門空間。吸頂空調或者壁掛空調要設置冷凝水接水盤，通過管路導引到電氣房外部。

7 結語

目前關于橋式抓斗卸船機的機器電氣房設計的論述資料較少，通過對機器電氣房的使用環境、結構功能的分析研究，在熱量計算、結構計算、底盤結構設計等方面進行闡述，明確了機器電氣房設計的每個環節，能夠優化港機產品設計，同時也對碼頭的高效運行及安全生產起積極作用。