帶斗門座起重機非線性變幅速度的卸船生產率影響

肖利濤 王昭勝

青島海西重機有限責任公司 青島 266530

0 引言

當前，水運市場越來越受到物流行業的青睞，運輸船在碼頭上長時間的滯留嚴重影響船運的暢通性，滯留時間加長會影響貨物的運輸成本。影響運輸船在碼頭上滯留時間的主要因素是碼頭裝卸設備的卸船生產效率。

散貨碼頭上設有各種裝卸設備，帶斗門座起重機（以下簡稱帶斗門機）作為一種介于卸船機和普通門座起重機（以下簡稱門機）之間的設備，其專用性不同于卸船機，具有靈活多用途的特征。同時相較于普通門機，帶斗門機作業效率高出很多，故在散貨碼頭上應用愈發廣泛。

1 研究目的

帶斗門機回轉以上部分與普通門機設計完全一致，回轉以下部分設有卸料系統、輸送系統等卸料裝置。帶斗門機的臂架架構形式決定變幅裝置不能使物品的水平變幅速度均勻，大多數變幅裝置的水平速度在最小幅度時為最大，而在最大幅度時則最小[1]。尤其是在小幅度范圍內，速度比平均速度快。在帶斗門機裝卸效率計算時，均以平均速度進行效率計算，然而臂架頭部吊點的變幅速度隨著工作幅度的變化呈現非線性變化的趨勢[1]，最大水平速度與最小水平速度甚至可達到2 倍的關系，實際卸船生產率與理論生產率存在差別，這對設備的選型和業主對效率的要求有較大的影響。因此，根據研究實際速度計算門機的卸船生產率，對散貨碼頭采購設備參數的選擇具有十分重要的現實意義。

2 帶斗門機作業效率

帶斗門機作業效率主要是指單位時間內裝卸貨物的數量。目前，尚無相關國家規范、標準規定帶斗門機的作業考核工況，一般情況下根據合同要求完成數次完整的抓取循環，測量總抓取量和循環總時間，取其算術平均值作為計算額定生產能力用的一次抓取量q/t 和一次循環時間t/s，額定生產能力為[3]

專業卸船機的作業循環以港口平均水位、船舶滿載吃水、型深一半、艙口中間位置作為計算工況。以抓斗抓取貨物開始，經過抓斗閉合、抓斗起升、變幅運行（滿斗運行）、抓斗開斗、變幅運行（空斗運行）、抓斗下降等過程，考慮機構轉換過程中必要的時間間隔，作為一個完整的作業循環過程。

帶斗門機生產率參考卸船機的計算方法，散貨船在港口平均水位、滿載吃水、形深一半、艙口中間位置作為計算工況，從船艙中間開始抓取物料至漏斗上方卸料并返回船艙的作為一個循環過程（見圖1）。

圖1 帶斗門機生產率計算簡圖

3 變幅速度水平速度

當門機臂架擺動變幅時，象鼻梁端點水平移動速度不能相差過大，變幅裝置的水平變幅速度在最小幅度位置時為最大，在最大幅度位置時最小，尤其在小幅度范圍內，由于速度加快，對裝卸和安裝工作很不利。因此，提出相應的要求，一般控制在Vmax/Vmin＝1.2 ～1.6，個別情況Vmax/Vmin≤3.2[2]。

在計算臂架系統象鼻梁頭部水平速度時，一般采用速度瞬心計算法[4]。整個臂架系統繞臂架下鉸點旋轉，根據齒條線速度計算出臂架在每個幅度下的實際角速度，根據臂架實際角速度計算出象鼻梁與臂架鉸點的線速度，根據大拉桿和臂架結構軸線鉸點計算出象鼻梁結構的瞬心，通過瞬心到象鼻梁與臂架結構鉸點的距離和瞬心到象鼻梁頭部的距離計算出象鼻梁頭部在每個幅度下的實際線速度。最后根據象鼻梁頭部實際線速度的方向轉換成象鼻梁頭部水平速度[5]。變幅速度水平速度的計算模型如圖2 所示。

圖2 變幅水平速度計算模型圖

4 分析計算

4.1 計算條件

以MQ4045 帶斗門機作業為例，計算變幅速度對作業效率的影響，起重機額定起重量為40 t（抓斗），最大工作幅度為45 m，最小工作幅度為12 m，軌面以上起升高度為25 m（抓斗），軌面以下起升高度為19 m（抓斗），使用抓斗情況下機構起升速度為80 m/min，空載情況下機構起升速度為120 m/min，變幅速度為80 m/min，抓斗起升加速時間為2.5 s，抓斗起升減速時間為2.5 s，變幅運行加速時間為3 s，變幅運行減速時間為3 s。漏斗上口高度H1為23 m，漏斗中心到海側軌道距離S1為2 m，漏斗邊緣到漏斗中心距離S2為7 m，海側軌道中心至護弦的水平距離S3為4.5 m，碼頭標高WH1為6 m，高水位WH2為4.05 m，低水位為WH3為0.62 m，形寬B 為40.3 m，倉口寬度C 為18.8 m，船體深D 為20.3 m，船體總高H 為22.4 m，滿載吃水深d 為14.5 m，空載吃水深dL為4.7 m。

4.2 變幅速度計算

根據瞬心計算法計算象鼻梁頭部水平速度[4]。變幅機構齒條運行線速度為恒定速度V，將變幅機構齒條運行線速度V 在四連桿臂架系統不同幅度下折算為垂直臂架結構的速度Vy，計算出臂架結構不同幅度下的運行角速度ω。由臂架結構和大拉桿找出不同幅度下臂架系統的瞬心，再計算出象鼻梁頭部的速度Vf，折算成水平速度Vfx。將帶斗門機參數進行計算，得出表1 所示各幅度速度值。

表1 MQ4045 帶斗門機各幅度變幅速度

計算船型以70 000 t 和100 000 t 船型分別進行計算對比平均速度和實際速度生產率計算差別，船型參數見表2。

4.3 均速變幅效率計算

在同樣的MQ4045 門機條件下，針對100 000 dwt船型和70 000 dwt 船型分別按照均速和實際速度進行效率計算，對比實際速度對效率的影響。

1）100 000 dwt 效率計算

按照帶斗門機整個幅度平均速度進行卸船作業效率計算，由于在帶斗門機中為了提高效率，對準艙位后無需旋轉。因此，只考慮起升和變幅，分別計算起升、變幅行程，從而計算出所需時間。

已知閉斗行程為12.3 m，時間為11.73 s；滿載起升距離為27.29 m，時間為22.96 s；變幅幅度為22.65 m，時間為19.99 s。開斗行程為12.3 m，時間為9.38 s；空載下降距離為27.29 m，時間為16.14 s；變幅幅度為22.65 m，時間為19.99 s。

以時間最短的工作軌跡抓斗出艙后即可邊提升邊變幅；空斗下降時離開漏斗上方即進行下降增幅。通過以上起升、變幅時間及行程計算分析得出圖3 所示循環時間圖。

由圖3 可知，一個工作循環總時間為78.66 s。

圖3 帶斗門機循環時間圖

抓斗抓滿一次抓煤量為24.5 t （ 抓斗自重為15.5 t），故生產率為

式中：T 為一個工作循環時間，P 為裝卸生產率，0.95 為抓斗充滿率，G 為每斗物料的質量。

2）50 000 dwt 效率計算

已知閉斗行程為12.3 m，時間為11.73 s；滿載起升距離為27.29 m，時間為22.96 s；變幅幅度為18.35 m，時間為19.99 s。開斗行程為12.3 m，時間為9.38 s；空載下降距離為27.29 m，時間為16.14 s；變幅幅度為18.35 m，時間為19.99 s。

以時間最短的工作軌跡抓斗出艙后即可邊提升邊變幅；空斗下降時離開漏斗上方即進行下降增幅。通過以上起升、變幅時間及行程計算分析，得出圖4 所示循環時間圖。

圖4 帶斗門機循環時間圖

由圖4 可知，一個工作循環總時間為75.71 s。抓斗抓滿一次抓煤量為24.5 t （ 抓斗自重為15.5 t），故生產率為P ＝1 107 t/h。

4.4 實際速度裝卸效率計算

1）1 000 00 dwt 效率計算

已知閉斗行程為12.3 m，時間為11.73 s；滿載起升距離為27.29 m，時間為22.96 s；變幅幅度為25 m，時間為19.04 s；開斗行程為12.3 m，時間為9.38 s；空載下降距離為27.29 m，時間為16.14 s；變幅幅度為25 m，時間為19.04 s。

通過計算分析得出圖5 所示循環時間圖。由圖5 可知，一個工作循環總時間為76.04 s。抓斗抓滿一次抓煤量為24.5 t（抓斗自重為15.5 t），故生產率為P ＝1 102 t/h。

圖5 帶斗門機循環時間圖

2）50 000 dwt 效率計算

已知閉斗行程為12.3 m，時間為11.73 s；滿載起升距離為27.29 m，時間為22.96 s；變幅幅度為18.35 m，時間為15.18 s；開斗行程為12.3 m，時間為9.38 s；空載下降距離為27.29 m，時間為16.14 s；變幅幅度為18.35 m，時間為15.18 s。

以時間最短的工作軌跡抓斗出艙后即可邊提升邊變幅；空斗下降時離開漏斗上方即進行下降增幅。通過以上起升、變幅時間及行程計算分析得出圖6 所示循環時間圖。

由圖6 可知，一個工作循環總時間為72.37 s。抓斗抓滿一次抓煤量為24.5 t （ 抓斗自重為15.5 t），故生產率為P ＝1 158 t/h。

圖6 帶斗門機循環時間圖

4.5 結果對比

從2 種計算方式來看，以變幅機構實際運行速度進行生產效率計算比用平均速度計算生產效率要高，但差別有限。主要影響在變幅機構在小幅度時，抓斗在漏斗上方，部分時間會有壓縮。其他幅度上變幅速度有的比平均速度小，有的比平均速度大，整體差別不大。總體而言，實際速度計算的生產率比平均速度計算的生產率高3%～5%，如表3 所示。

表3 效率對比表

5 結語

計算生產效率是一個理想的循環，計算得出的是計算額定生產率。在業主作業考核時，生產率一般比額定生產率有一定的富余量。在實際卸船作業時，除距離門機設備的一半船艙外，還需要卸遠離門機設備的一半船艙。作業遠離門機設備的一半船艙時，實際速度作業效率要低于平均速度作業效率，總體而言平均作業效率以平均速度核算比較合理。