基于垂懸敷設的螺旋卸船機回轉電纜敷設工藝優化設計

徐勝燁，施永昌

（1.國家能源集團泰州發電有限公司，江蘇泰州 225327；2.杭州華新機電工程有限公司，杭州 310030）

0 引言

全球經濟一體化的發展趨勢下，電力、建材以及鋼鐵等行業運輸量增長的同時，港口裝卸設備和倉儲物流系統的需求量也顯著提升。與此同時，伴隨著貿易一體化進程的加快，全球范圍內各大港口碼頭散料貨物吞吐量不斷增加。傳統散貨裝卸過程中所產生的“噪聲大”、“揚塵多”等環境污染問題日益突出。螺旋卸船機是水運中轉系統的一項重要設備，無論是選型，還是設計，都將關系到系統的整體使用性能。為實現散貨裝卸由傳統向現代化的轉變進而賦能綠色港口建設，GENMA品牌氣力式卸船機是某公司根據當前市場和環保要求自主研發的一款連續卸載、全封閉輸送、具有創新理念的港機設備，能夠輕松卸載大豆、玉米等糧食以及水泥熟料等多品種輕質散料。設備最大卸船能力600 t/h，適應船型500～80 000 dwt，可根據碼頭實際情況設計成固定式、軌道式或輪胎式。現階段，我國對于環保事業的日漸重視，各個港口碼頭對于全封閉式連續螺旋卸船機的應用有著較大的需求。大規模環保螺旋卸船機過去被歐洲企業市場壟斷，我國為打破這一局面，特別自主研發了高效大型1 500 t/h螺旋卸船機，對于其結構中門架筒體和轉柱塔間采用±110°回轉電纜，通過電纜的連續敷設，實現對卸船機電氣工藝的優化設計，合理布局電纜走向，采用驅動裝置實現對電纜的有效控制。

1 螺旋卸船機技術參數

在航運工程中，螺旋卸船機主要是以無撓性牽引構件的垂直與水平螺旋輸送機為主要機構的機械設施，可連續地進行散貨卸船［1］。卸船機包含門架、水平與垂直螺旋、喂料器等部分，通常會在密閉的工作狀態下進行作業，所以不會受到粉塵污染，有著較好的環保特性。卸船機額定生產率能夠超過2 000 t/h，設備內安裝了反向旋轉式取料裝置，物料可以緊密地在輸送管中流動，并在距離艙底50 cm的位置，卸船機可以不間斷的工作。項目需要用到2臺ATXL600B型螺旋卸船機，可以接卸50 000 dwt散貨船，單機卸船能力為600 t/h，行走輪數共計20只，軌距10.5 m。卸船機自重共計390 t，長寬高分別為38.03 m、16.88 m、28.1 m，其中水平臂是卸船機的最大部件，自重就達到200 t［2］。

2 現有技術分析

2.1 回轉機構

圖1所示為卸船機的轉柱塔與門架結構部分。門架結構的最上部位就是筒體，需要在螺栓與回轉軸承的聯接下保持工作效率。在螺旋卸船機當中，轉柱塔是其中主要結構，可用來支撐上部回轉部分，中間有卸料系統的溜筒裝置。筒體與轉柱塔結構間使用了驅動裝置，共計兩套，相互之間可以構成回轉機構，使筒體和轉柱塔之間達到±110°的回轉，轉速通常保持在0.15 r/min左右［3］。

圖1 卸船機轉柱塔與門架結構示意圖

2.2 電纜布置走向

在電纜布置方面，螺旋卸船機主要包含上部與下部電纜兩部分。上部電纜在敷設時，先從電氣房沿著托架敷設，一直到敷設到門架筒體的位置，隨后經過回轉機構敷設到水平與垂直臂架驅動裝置處，確保上部結構的所有電氣設備都顧及到，整體大概需要60根電纜，其中包含動力電纜、通訊電纜以及控制電纜，需設計更加可靠的電纜敷設方案，確保卸船機動力總成，保障電氣控制系統穩定運行［4］。

2.3 現有電纜敷設方案

（1）中心繼電器部分的電纜敷設。在卸船機中，中心繼電器也叫作中心受電環，主要用來進行電氣動力傳輸，并為結構件在做圓周運動時提供信號傳導服務。電纜需要連接繼電器上下兩部分接線柱，同時在回轉機構的驅動之下，中心繼電器的滑環能夠和結構實現同步回轉，并在回轉的過程中完成動力傳輸［5］。但是設備的安裝面臨著一定的限制，必須保持垂直安裝，且中心集電器與設備的中心旋轉軸線保持重合，安裝時允許偏差必須小于設備高度的1/1 000。從卸船機的回轉結構來看，如果在此處安裝溜筒裝置，那么裝置就會與中心集電器發生沖突與干擾。

（2）電纜拖鏈敷設方案。在卸船機中，電纜拖鏈屬于束縛電纜的一種裝置，以便電纜轉動，能夠伴隨著設備的移動或旋轉，經過導向裝置在導向槽內不斷運行，具有安全保護的功能。結合卸船機的實際作業情況，采用高柔性電纜，以電纜拖鏈的方式進行電纜敷設環節的優化設計［6］。總體來看，電纜拖鏈系統在維護時比較方便，且系統整體運行穩定，但是拖鏈和柔性電纜的造價成本比較高，如果不計算支架或平臺維護的成本，拖鏈與相配套的電纜價格就已經高達40萬元。

3 優化方案

3.1 總體設計

掌握港口工程中螺旋卸船機的回轉作業大致情況，確定回轉運動軌跡，以此為前提設計電纜敷設方案，大致情況如下：采用垂直的方式敷設電纜，筒體與轉柱塔分別代表著固定端與移動端，上部安裝兩個電纜支架，負責固定電纜的兩端，憑借著電纜的柔性設計，讓60根電纜可以隨著回轉機構一同回轉，保持同步運轉，避免電纜發生扭曲或者扯斷的問題，具體如圖2所示［7］。

圖2 總體設計

3.2 電纜結構與材料選擇

3.2.1 電纜結構

用于卸船機的電纜大致包含導體、絕緣層、內外護套以及鎧裝幾部分，圖3所示為電纜結構的截面圖［8］。

圖3 電纜結構截面圖

其中導體通常采用銅或者鋁材料，當銅的含量達到99.9%以上時，此時電纜導體的導電率最高，所以銅導體的導電性更強；絕緣層需要包裹在導體以往，卸船機通常會使用乙丙橡膠或聚氯乙烯電纜絕緣方式，前者作為合成橡膠絕緣，電纜肉性較強，抗風化性較好。聚氯乙烯即PVC材料是一種塑料類絕緣，導體工作溫度低于70℃，同時短路溫度不能超過160℃。表1所示為兩種絕緣材料的特性比較情況，具體需要根據卸船機的實際情況來選擇電纜的結構。

表1 不同絕緣材料的性能比較

電纜的外護套需要對電纜內部進行保護，從而承受來自外力作用，一般卸船機會使用聚氯乙烯材料的保護套。表2所示為電纜允許半徑情況［9］。

表2 螺旋卸船機回轉電纜允許彎曲半徑

3.2.2 最大允許工作電流計算

這一數值通常與電纜絕緣材料相關，同時要將最高允許溫度作為基準。導體產生的熱量需要和電纜散熱相平衡，溫度不能超過絕緣材料最高允許溫度。當電流達到最大負荷的時候，電纜和導線的溫度應低于最高允許溫度，即導線可通過的最大電流值應當低于其最需載流量，相應計算公式如下：

Ial≥Imax

式中：Ial為電纜可允許的載流量；Imax為線路中最大長期工作電流，也就是計算電流。

廠家電纜載流量表一般是在特定的環境溫度與現場敷設條件下給出的數據，所以電纜允許載流量需要與修正系數相乘。單芯電纜最高可允許電流公式如下：

I＝α·S0.625

式中：I為最大允許電流，A；S為導體標稱截面積，mm2；α為可允許的最高溫度下絕緣材料系數，最高溫度為60℃時，導體截面積大于或等于2.5 mm2，絕緣材料系數為9.5，最高溫度為85℃時，系數為15［10］。

3.2.3 最大允許短路電流計算

一旦卸船機系統出現短路故障，電纜就會在故障切出的一段時間內負擔短路電流，且短路電流會超出額定電流的多倍，此時導體溫度迅速上升，電纜絕緣材料和外部護套有可能損壞。所以，有必要計算出最大允許短路電流。電纜短路容量一般會由溫度變化與維持短路電流的時間決定，相應計算如下所示：

式中：I為電纜短路允許電流，A；J為焦耳常數，即J＝4.186；S為導體截面積，cm2；C為導體的熱容量，量綱采用cal·℃-1·cm-3；a為20℃狀態下導體的電阻溫度系數；r1為導體電阻，Ω·cm-1；Tm和Tn分別為短路故障時導體最高允許溫度和初始溫度，℃；t為短路電流通過電纜的時間，s。

通常情況下，聚氯乙烯的短路導體最高允許溫度是120℃，而初始導體溫度為75℃。本文選用交聯聚乙烯材料為電纜的絕緣材料，Tm和Tn的值分別是230℃和85℃。銅導體各項參數如下：c＝0.81 cal·℃-1·cm-3；r＝1.72×10-6/s Ω·cm-1；a＝0.00393。代入上述公式，得知由此可知，用于螺旋卸船機的短路電纜與材料截面、短路電流通過時間有著緊密的聯系［11］。

3.3 電纜支架安裝

安裝移動端電纜支架的時候，需要將其安裝于轉柱塔的下部，回轉軸線處會有溜筒裝置，所以在安裝電纜支架前必須考慮到支架的位置，防止電纜會與轉柱塔在同步回轉時出現碰擦。制作支架自由端時應考慮到當電纜垂直向下敷設時材料的延展性，兼顧電纜自然彎曲半徑，保護電纜外表不會受到損傷。圖4所示為移動端的電纜支架示意圖。

圖4 移動端電纜支架示意圖

門架筒體上安裝固定端支架，且安裝角度需要與移動端支架一直，確保垂懸電纜可以敷設的更加順滑自然，防止有絞頭出現。安裝高度應當低于移動端支架1 m，并滿足電纜回轉期間垂懸部分的最大拉伸距離要求。如圖5所示。

圖5 固定端電纜支架示意圖

采用Q235B材料制作電纜支架，提前進行熱浸鋅處理，中間使用20 mm直徑的圓鋼，對電纜進行固定。

3.4 垂懸電纜長度與保護措施

安裝好電纜支架，再確定移動端與固定端間電纜長度，探究轉柱塔在±110°的時候的位置，得出電纜拉伸距離，以此作為垂懸敷設的預留長度。此外，還應加入安全系數，即：垂懸電纜預留長度＝理論長度×1.2。得出相應數值后，還應做好保護措施，防止電纜在敷設或使用中出現拉扯斷裂的問題［12］。避免電纜同步回轉時速度過快或動作急停，防止垂懸電纜出現大幅度擺動的問題，需在溜筒結構位置覆蓋圓弧形的板材，確保溜筒表面光滑平整［13］。

3.5 施工工藝

敷設電纜期間，應保持電纜拉直且整齊，沒有任何扭曲纏繞的情況。根據電纜的直徑，將電纜劃分為兩層，均勻地敷設在支架上，先敷設下層，再敷設上層，其中下層電纜屬于粗電纜，上層為細電纜，這樣做是為了避免電纜在垂懸的過程中因為自重而壓壞電纜。金屬與尼龍扎帶進行電纜的綁扎固定，3道尼龍扎帶與1道金屬扎帶為一個組合。對于垂懸電纜的最底部，電纜的彎曲半徑建議按照電纜直徑8倍來計算，保持電纜可以柔順彎曲，不會有絞頭出現，滿足卸船機回轉作業需求［14］。對于卸船機中的通訊電纜，有必要單獨敷設金屬軟管，兩端接地，謹防信號傳輸期間受到干擾影響。綜合后期維護與保養作業，電纜終端可分別安裝接線箱。

4 效果分析

垂直敷設電纜，筒體與轉柱塔分別為固定端與移動端，上部安裝兩個電纜支架，負責固定電纜的兩端，憑借著電纜的柔性設計，讓60根電纜可以隨著回轉機構保持同步運轉［15］。對Q235B電纜支架提前進行熱浸鋅處理，中間使用20 mm直徑的圓鋼，再對電纜進行固定。考慮到電纜后期維護與保養的作業操作的便捷性，需在垂懸電纜的終端安裝接線箱，以此作為垂懸電纜上下連接之間的有效過度。如圖6所示，該螺旋卸船機經過優化設計后，單臺設備制造費用顯著下降，設備最大卸船能力600 t/h，適應船型500～80 000 dwt，可根據碼頭實際情況設計成固定式、軌道式或輪胎式。卸船機還在卸料的出口處，應用了具有自主知識產權的新型無動力抑塵技術，基于節能環保的發展趨勢，螺旋式卸船機將會為港口行業發展與綠色港口建設帶來更加長遠的綜合效益。

圖6 螺旋式卸船機

5 結束語

總而言之，為進一步控制海外作業風險，減少設備安裝調試期間對碼頭的占用時間，降低安裝費用支出，根據螺旋卸船機的搬運與吊裝情況，有必要進一步優化其回轉電纜敷設工藝。螺旋卸船機對于貨物與船型有著較強的適應性，可用于裝卸煤炭、水泥、鉀鹽等粉末狀或顆粒狀材料，且使用時對于生態環境的污染較小。封閉式的卸船機在作業期間不會產生料塵飛揚的現象，且設備結構簡單，重量較小。通過對螺旋卸船機的優化設計，科學安裝移動端與固定端的電纜支架，計算電流通過情況，使電纜敷設方式更加合理，同時單臺卸船機的制造費用比同類產品下降了大約20%，這為后續卸船機裝置的標準化設計與制造提供了借鑒與參考。