4 000 t/h 特大型桥式抓斗卸船机的研制

龚海明 胡志宇 朱 勇上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

摘 要：介绍上海振华重工针对40 万t 级散货船设计研发的最新型4 000 t/h 机械差动桥式抓斗卸船机，其卸船能力、抓斗起重量、前伸距均为世界之最，为卸船机大型化的设计提供参考。关键词：抓斗卸船机；卸船能力；参数中图分类号：U653.928+.1 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）06-0100-04

0 引言随着经济的发展，特大型干散货运输轮成为发展趋势。据不完全统计，目前全球有35 艘以上40 万t 干散货轮已交付或订购，除国际矿业公司淡水河谷订造的十多艘40 万t 特大型散货轮外，还有本格森BW、阿曼航运、STX 泛洋航运公司、香港明华船务等知名散货运输公司也订购了此特大型干散货轮，近几年将有大批40 万t级左右的干散货轮陆续投入运营。相信随着市场的发展，40 万t 干散货码头将不断涌现。特大型散货轮的投用和码头的建造，均预示着特大型抓斗卸船机的巨大市场前景。

目前，市场上还未有严格意义上的4 000 t/h 桥式抓斗卸船机的应用。上海振华重工（集团）股份有限公司作为港机市场的引领者，有着良好的大型桥式抓斗卸船机技术基础，对特大型桥式抓斗卸船机关键技术的研发具有一定优势。4 000 t/h 桥式抓斗卸船机的研发成功，可提高码头装卸设备效率，缩短船舶在港时间。

1 总体设计方案与技术参数振华重工自主完成了设备的总体设计和所有机构（包括机、电、液等方面）的设计。本机型的研发在吸收国内外多种卸船机项目及振华卸船机产品经验的基础上进行优化，具有高效、可靠、经济实用的特点。起升开闭小车机构采用机械差动四卷筒形式，通过对小车、卷筒及滑轮等优化设计，合理配置设备质量；卸料系统采用双漏斗并立形式，有效地解决了大生产率与漏斗容积及通过率的问题，并能有效优化整机结构，避免物料堵料情况发生；对大功率变频驱动进行优化设计，以提高变频驱动系统的可靠性和效率。

该卸船机额定起重量为98 t，其中抓斗自重为28.2 t，抓取比达到2.2。具有抓取、起升、小车运行、臂架俯仰及大车运行等功能，采用FEM 规范设计，生产率按照JISB 8809 设计规范进行考核。该机型主要针对40 万t 散货船型进行设计，前伸距达56 m，后伸距达31 m，起升高度60 m，最大生产率达4 500 t/h。正常工作状况下，整机高度达70 m，而在臂架仰起时的高度达108 m，设计方案见图1。

卸船机起升开闭小车机构采用差动减速箱形式，小车机构通过浮动联轴节与起升开闭机构共用一套装置，使结构更紧凑，空间布置更合理方便，并配备有超速开关、凸轮限位等限位保护装置。整机滑轮采用轻型滑轮设计，优化整机质量，也能延长钢丝绳的使用寿命。同时，在前后大梁端部及梯形架顶部设置了维修行车，能够很好地满足日常的维护工作。

主要机构系统采用变频PLC 控制，由地面码头通过电缆卷筒送电。PLC 控制能够很好地实现各个机构的单动及联动功能，同时也能有很好的安全保护措施，当超载、超速和发生其他异常时，可自动停车，并设手动释放装置。卸船机参数：额定起重量98 t，外伸距56 m，后伸距31 m，轨上起升高度28 m，轨下起升高度32，轨距30 m，基距20 m，起升速度180 m/min，下降速度240 m/min，小车速度260 m/min，大车速度2 ～ 25m/min，俯仰时间7 min，司机室速度20 m/min，每支腿大车车轮数12 个。

2 钢结构设计优化整机结构主要分为前大梁、后大梁、门框结构、梯形架及机房底架。前后大梁是卸船机的主要受力构件之一，应有足够的强度和刚度抵御起重载荷、风压、惯性外力和强特大台风等的影响。前后大梁主要采用箱型梁焊接制作，箱型截面的选取及质量的优化对整机减重和保证轮压有至关重要的作用。复合型截面大梁比矩形大梁质量轻，但由于本项目起重量大、冲击大，矩形截面型式更加稳定。另外，矩形截面的大梁型式空间更大，主小车、轨道等维护更方便，因此更受用户青睐。综合考虑，该项目大梁按矩形截面设计。大梁的整体精度对小车运行有很大影响，精度不高、大梁不平会造成小车运行跑偏，振动加大，严重的会造成小车运行存在异响，结构疲劳加剧，寿命降低。由于本项目前伸距达56 m，为保证大梁整体的变形要求，使小车运行更加顺畅，采用了双拉杆形式。

3 主小车的优化主小车轮压对前后大梁的承载能力有直接的影响，轮压越大，对前后大梁的强度和刚度的要求越高，质量会越大，为使整机质量得到优化，设计时应尽量避免采用大直径的车轮。该机型每个支点采用双车轮形式，大大减小车轮直径，降低了车轮轮压。并且车轮组与机架通过铰接连接，使车轮具有微调功能，以应对大梁轨道加工、安装不平及日后使用的结构微变形等情况，避免车轮出现悬空。主小车车轮组见图2。

1. 车轮 2. 铰轴图2 主小车车轮组示意图

主小车的轨距对小车结构和质量有很大影响，轨距越大，小车的质量越大，刚度越差，因此，设计时在保证功能的前提下，应尽可能缩小轨距。统计已投入使用的3 000 t/h 卸船机，小车轨距基本为4 500 mm。为优化结构质量，通过优化主小车上各个装置的布置，该项目的小车轨距定为4 000 mm。

4 主要机构抓斗起升、开闭及小车运行机构采用三合一机械四卷筒差动补偿形式，通过浮动联轴器将2 套差动减速箱和4 个卷筒联系起来，与钢丝绳缠绕系统共同实现了起升、开闭和小车运行的三合一运动。起升、开闭及小车运行机构主要参数：减速箱速比29.173/20.3，卷筒直径1 680 mm，钢丝绳规格/ 直径IWRC 6xWS(36)/56mm，钢丝绳安全系数9.538。

俯仰机构采用了双输入（主电机和应急电机）、双输出轴、双卷筒的布置形式，保证了单边钢丝绳断裂情况下大梁仍能正常俯仰。超长、超重的臂架，必须使用大功率减速箱，其拥有额定500 kN·m、最大1 100kN·m 的输出扭矩。应急机构采用三合一形式，与主减速箱以离合器形式连接，操作非常简单。俯仰机构主要参数：减速箱速比157，卷筒直径1 500 mm，钢丝绳规格/ 直径IWRC 6xWS(36)/50 mm，俯仰时间（应急）约为7 min（1 h）。

鉴于卸船机整机质量约2 600 t，大车行走机构采用了12 轮台车的结构，共48 个车轮，驱动、被动车轮各24 个，驱动电机功率为15 kW，每个被动车轮配置一台轮边制动器，结构对称布置。大车驱动机构能够使整机逆风（30 m/s）行驶进锚定位，轮边制动器也可以抵抗30 m/s 的非工作风。主大车行走机构主要参数：减速箱速比108.456，车轮直径/ 踏面宽度900 mm/177mm。

5 漏斗的优化设计常规大漏斗采用的是单出口形式，下部悬挂振动给料器或安装带式给料机，见图3。本项目采用大漏斗双出口的形式，见图3。

1. 移动漏斗 2. 振动给料器 3. 斗门装置 4. 漏斗 5. 侧挡风壁图3 卸料系统布置图

为有效减轻漏斗结构质量，对漏斗载荷进行分析：根据钢筋混凝土筒仓设计规范，漏斗主要承受物料的载荷作用，漏斗的载荷主要分为垂直于漏斗壁的法向压力及平行于漏斗壁的切向载荷，见图4。

图 4 漏斗所受载荷分析距离物料顶部距离为s 处单位面积上的竖向压力

式中：γ 为物料的密度，kN/m3。作用在漏斗壁的法向压力

式中：α 为漏斗壁与水平面的夹角。作用在漏斗壁上的切向压力

侧压力系数

式中： 为物料的内摩擦角。物料引起的垂直于斗壁的总法向压力

式中：b 为斗门的宽度。物料引起的总的切向压力

结合Ansys 分析软件，对漏斗结构进行强度计算，在满足强度、刚度要求的前提下，选择适当的板厚及角钢筋板，对漏斗结构进行优化设计，达到减重目的。

6 侧挡风壁的优化设计侧挡风壁的主要作用是防尘，根据制造材料来划分，侧挡风壁的主要形式有钢板、波形板及网眼板，见图5。

（a）波形板形式 (b）钢板形式 (c）网眼板形式图5 各种形式的侧挡风壁

钢板形式较常见，其制造安装简单，但自重比较大。波形板的质量相对钢板形式要轻，但由于表面的不规则性，焊接难度较大，而且由于在室外，要求焊缝的连续性及密封性。网格板相比前两种形式，具有自重轻、安装方便以及防尘效果更好的优点。4 500 mm 高、11000 mm 长的侧挡风壁，采用钢板形式质量约为15 t，而采用网眼板形式则可以将质量降到8 t 左右。普通的钢板及波形板为焊接形式，对于厚5、6 mm 的钢板，易造成焊接变形，变形后还需正火矫正，而且整个焊接工作量为100 m 左右，工作量很大。而网眼板采用螺栓连接避免了上述问题，缩短了制造安装时间。根据空气动力学原理网眼板形式防尘效果更好。图6 为钢板形式的侧挡风壁，在内部形成低压区，风向向下偏转，形成涡流区，吹散粉尘并带走水珠。图7 为防风网板形式的侧挡风壁，风可透过网板，不会形成涡流风，减少粉尘飞扬。综合考虑，侧挡风壁采用网眼板形式。

图6 钢板形式侧挡风壁的空气流向图

图7 防风网板形式侧挡风壁的空气流向图

7 总结本项目根据用户的需求，结合已有的大型卸船机的设计经验，经过研讨确定各机构的型式。针对已有项目的使用经验，对各部分细节进行优化，并对部分部件结构形式进行重新设计优化。该项目的研究及技术储备将有助于公司继续保持散货港机设备的市场引领地位。

参考文献[1] 张建国. 2 500 t/h 桥式抓斗卸船机[C]. 上海机械工程协会物料搬运学会论文集，1999：109-115.[2] 钟海峰, 胡媛，胡志宇. 青岛港董家口3 500 t/h 桥式抓斗卸船机简介[J]. 港口科技,2012（3）：29-31，37.