桥式卸船机运行机构设计【文献综述】.doc

1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 桥式卸船机运行机构设计 前言 桥式抓斗卸船机是用来装卸散装货物的重要设备 ,主要应用在公用码头 ,钢铁生产企业的原、燃料专用码头 ,火力发电厂的原料码头等场所。与连续卸船机相比 ,虽然在环境保护、整机自重以及效率等方面处于劣势 ,但其在对物料和船舶的适应性、营运成本以及船舶颠簸对卸船机的损伤等方面 ,却具有绝对优势。随着港口的快速发展 ,超大型的散货船舶越来越多 ,为使港口装卸作业效率不断提高 ,抓斗循环时间要求越来越严格 ,对卸船机的运转速度和控制性能提出了更高的要求 1。 主题 桥式抓斗卸船机的概述 桥式抓斗卸船机的定义 ：桥式抓斗卸船机是 种成

2、熟、高效、全的卸船设备。广泛应用于电力、港口、冶金、建材等行业。卸船机安装在沿江或沿海码头上，通过抓斗将船舱内的散装物料 (煤炭、矿石、矿粉、水泥炭、灰渣、粮食等 )抓取后移动到机上料斗上面，打开 t爪 -q-将物料卸至料斗内，通过料斗下部给料设备将物料运送到码头系统皮带机上，再通过系统皮带机将物料输送到储料场。目前在散货码头上，间歇式卸船机以带斗门机和抓斗桥式卸船机为主，桥式抓斗卸船机由于其对物料和船舶的适应性营运成本以及避免波浪引起 的船舶颠簸对卸船机的损伤等方面具有明显优势，因而在近年形成的卸船机使用中尤以抓斗桥式卸船机应用最为广泛。抓斗桥式卸船机具有运行可靠，故障率低、维修保养方便等诸

3、多优点，但是同连续式卸船机相比，其物料易洒落的缺点亦很突出 2。目前在散货码头上，间歇式卸船机以带斗门机和抓斗桥式卸船机为主，其中尤以抓斗桥式卸船机应用最为广泛。抓斗桥式卸船机具有运行可靠、故障率低、维修保养方便等诸多优点，但是同连续式卸船机相比，其物料易洒落的缺点亦很突出。粗略计算如下：按国际惯例散货码头装卸卸作业允许损耗5。 7。计算，如果通 过改造降低 2 0 的损耗，一个年吞吐量 2000 万 t 的矿石码头，可降低损耗为 4 万 t，如果铁矿石价格按 600 元 t 计算，那么每年可节约成本为 2400 万元，数额相当可观，而目前铁矿石价格节节攀升，由此节省的原材料费用将更为巨大 3

4、。 主要结构与技术参数： 作为港口散货装卸的关键设备之一，卸船机的性能对散货卸船效率以及散货船停泊时间起着至关重要的影响。对抓斗卸船机整机强度和刚度进行分析，目的是为了检验整机金属结构在自重和外载作用下的承载能力。桥式抓斗卸船机 (以下简称卸船机 )金属结构主要由门框、前大梁、后大梁、漏斗梁 以及梯形架组成。 1500 t 卸船机主要技术参数见表 14。 国内外桥式卸船机的发展概况 国外桥式卸船机的发展趋势： 从 20 世纪 70 世纪年代中期至 80 年代末，世界较大的散货卸船港口，如荷兰的鹿特丹，阿姆斯特丹，比利时的安特卫普，德国的汉堡，日本的大分，千叶都先后采用了大型，高效抓斗卸船机，最

5、大起重能力为 85 顿，最大生产率 5100 吨每小时，能适应的最大船型为 25 万吨级。近几年来已经投入使用，生产率达 1250 吨每小时的抓斗卸船机总数已有数百台。这类设备的外伸距已达到 50 米 ;起升高度提高到 53.5 米；起升速度达到 180 米没分钟，小车运行速度已达到 270 米每分钟；卸船的作业循环周期从 5560秒缩短到 4050 秒。有的产品设备先进的抓斗自动摇摆控制系统等装置，进一步缩短作业循环时间，使生产率有了很大提高 5。 桥式抓斗卸船机的小车结构形式对整机技术性能有十分重要的影响。小车结构形式有自行式和牵引式之分。火力发电厂在 70和 80 年代桥式抓斗卸船机的小

6、车结构形式基本都是自行式小车。自行式小车的重量比牵引小车重，卸船机整机重量和轮压、腿压增大，设备和码头工程造价高；而且，自行式小车的 主要工作机构都装在运动的小车上，在振动冲击下，机械及电气设备故障率高。在此情形下，从 90 年代开始，随着电气驱动系统及控制系统的技术进步，牵引式小车结构在不断得到优化设计的基础上逐步得到广泛应用 6。 国内桥式卸船机的发展趋势： 桥式抓斗卸船机与连续卸船机相比 , 通常认为最大的缺点是不利于环境保护。最近几年 , 通过在取料点、机上物料转载点、受料漏斗以及抓斗上采取多种防污染措施 , 抓斗卸船机的环境污染已可以得到有效控制 。除此之外 , 桥式抓斗卸船机的技术

7、新进展主要体现在小车结构型式、驱动系统、自动控制上。 桥 式抓斗卸船机的小车结构形式对整机技术性能有十分重要的影响。小车结构形式有自行式和牵引式之分。火力发电厂在 70和 80 年代桥式抓斗卸船机的小车结构形式基本都是自行式小车。自行式小车的重量比牵引小车重，卸船机整机重量和轮压、腿压增大，设备和码头工程造价高；而且，自行式小车的主要工作机构都装在运动的小车上，在振动冲击下，机械及电气设备故障率高。在此情形下，从 90 年代开始，随着电气驱动系统及控制系统的技术进步，牵引式小车结构在不断得到优化设计的基础上逐步得到广泛应用 6。 大宗散货运输船舶向大型化，专业化发展，显著 地提高了运输能力和经

8、济效益。近 20年来，卸船设备也向大型化，高效化发展。 随着世界第一台自动抓斗卸船机、自动装船机、具有自主知识产权的自动斗轮堆取料机研制成功，中国港口物流散货开始走向数字化、智能化的创新之路。近日，由上海国际港务(集团 )股份有限公司承担的上海市科委产学研专项“现代港口散货装备集成技术开发与研制”，通过专家验收。目前，该课题成果已在上海罗泾二期散货码头上应用。 我们在码头铁矿石区看到，根据不同的船型设置卸船路径、根据不同的物料密度设置抓斗开度，可以自动卸船，犹如为抓斗装上“眼睛”。还能通过自 主开发的装卸设备虚拟样机， 从视觉、触觉和功能、行为上，全方位模拟真实的港机，使上海港散货处理能力达到

9、世界先进水平。 上港集团、港机重工、上海交通大学和同济大学共同开展产学研合作，依托上海港罗泾二期工程，重点在散货物流与装备集成技术方面进行创新。该课题研制了世界上第一台全自动的装船机，采用了船舱位置和物料分布的自动检测技术，实现了装船作业的无人自动化操作；研制了世界上第一台全自动的卸船机，采用自动控制及检测技术，通过对物料流量及船舱内物料高度的实时检测，实现装船作业的自动均匀配载；创新研制了一种新型散货装卸 工艺系统，实现了散货堆场的无人自动化操作；在国内首次将虚拟样机技术和虚拟现实技术协同仿真引入港口机械设计，努力建成国内第一个全自动散货码头。 与人工作业相比，卸船机、装船机、斗轮堆取料机自

10、动作业的综合能力提高超过 5。经测试，散货装备运行状态远程实时监控系统具有故障诊断和维护管理，以及实时数据采集与交流等功能 7。 各领域的发展 卸船机无线称重系统的运用： 1 运用基于数字分析模型的动态称重计量技术卸船机装卸过程是完全动态的，测量元件上受力也是 动态变化的。因此，对设备进行状态监测，对整个动态称重过程进行系统建模，建立了精准的数字分析模型。为了确保精度，对设备加装了 4 台销轴式重量传感器，在不改变原滑轮受力情况下把采集的模拟信号通过 CPU 按动态数据模型换算处理，经过 Chinese V2 39 单片机计算后，得出的重量值再经过位置开关，最后通过 PLC 给出的开闭斗命令，

11、由方向传感器和位置检测两部分共同判断该次装卸过程是否有效，有效则记录该次数据。记录的数据进行综合计算处理后，获取精确的数据。并且通过设置的 eView 触摸屏软件运算在触摸显示屏上所显示抓取货物 的重量、作业次数、是否超重等实时信息。考虑到卸船机设备安全，在 PLC 系统中加入了报警、刮舱、急停、超重等信号，为安全生产提供了支持。 2 采用数据补偿与数字滤波系统： 1)改造后的卸船机无线称重系统对设备运行特性以及传感器静、动态特性和冲量冲击的研究，以运行时的理想化数学模型作为自适应测量环节的参考模型。空载时，在参考输入Ws=0 下，参考模型输出 ys(k)，它与卸船机实际空载运行时的输出 Y(

12、k)比较后的差值 Y(k)一 ys(k)作为系统的零位误差，由参数估计器实时修改系统零位，从而实现零位的自动跟踪和校正。在非 空载状态下，由于卸船机实际载荷量 w 未知，自适应测量环节以其输出值 (k)近似作为参考模型的参考输入， Ws=(k)，参数估计器实时估计模型参数，进行动载荷计算，从而实现测量过程中的动载滤波。整个系统采用优化补偿技术，引入人工智能和优化算法，研制基于微处理器的数字补偿装置，串接在传感器之后，对传感器数据测量进行软件补偿，提高传感器动态响应速度和测量数据的精确性。 2)动态监控系统应用领域环境大都较为复杂，存在大量低频随机信号，如减速机运行振动、起升钢丝绳摩擦振动、设备

13、移动振动、钢结构震动等。采用将神经网络和小波分 析相结合的智能软件滤波方法，既能减少系统开销，又能最大限度地获取有效信号，保障动态过程精度。 改造后的无线称重系统数据精度大大提高，计量误差控制在 3范围以内，误差统计率小于 l，数据传输时延迟少于 50s，数据组合网络可以一对 32 个前延点，达到国内外先进水平。其稳定性和测量精度能够满足高性能、多功能、智能化的要求，具备数据处理自动零位搜索和校正等功能。 3 混合纠错的差错控制方式无线终端接受的信号有基站传来的直射波、地面反射波，还有经过各种障碍物所引起的散射波，这些同频率信号经多条传输路径产生干扰。对于信号 的传输过程，会产生突发性误码，也

14、易造成随机性错误。为保证通信的质量，对信号必须进行信道编码以及对差错码进行必要的控制和纠正。 设备作业中需要频繁移动，因此，无线终端也是移动的，堆场上矿石的反射以及散射，使得工作区域的无线通信同时存在着短波信道传播和散射信道传播，在深入研究港口周边噪声和电磁干扰后，采用混合纠错的差错控制方式，有效保证了数据传输的真实性。 4 具有自恢复功能的港口散货装卸专用无线局域网 改造后的卸船机无线称重系统具备在线对港口散货信息进行采集、分析、传输和保存，通过无线数据网络系统，利用软件实现 港口散货装卸数据的综合信息查询和对卸船机设备部件的管理以及对卸船机司机的计件考核的依据。 根据码头业务特点和地理布局

15、，设计码头无线局域网络拓扑结构，满足港内 TCP IP网络通讯协议要求，实现设备运行状态的监测。考虑到港口散货作业需要集中性、时效性和可靠性，无线局域网会受到移动设备的影响，经常会造成中断，因此在动态和干扰屏蔽性较强的场合建立局域网，采用可以快速恢复的 5 8G 无线网络框架，解决断线后快速恢复，提高传输距离及抗干扰性，通过光纤和无线局域网络的组合关系保证数据得到有效的传输。 无线通讯方面，采用 54 兆高速连接对全部卸船机进行 5 8G 无线信号覆盖，支持点对点 (P2P)、点对多点 (P2MP)无线连接，支持 WPA2 WPA 802 1X 加密及认证方式，支持 MAC地址过滤功能，支持

16、803 1D 生成树协议，防止环路。通过兼容 802 1lb g 三种标准的双频三模电信级无线网络传输设备的架设，把数据无线传输到数据接收器上，再通过光缆传输到无线称重服务器上，然后把数据通过网络协议并人日照港局域网，且可通过 WEB SNMP管理。整个传输过程可对设备进行中继，不需对被中继设备做任何设置，扩大了覆盖范围。而且具备网络数据检 测，检测网络设备在线情况，设置自动监测断线重启功能，保证网络在死机情况下自动重新启动运行。 5 具备综合查询系统和设备管理系统 SERVE 数 在软件开发方面，服务器采用 SQL 据库对数据进行封存，并利用无线称重系统采集的数据开发的设备管理信息系统，通过

17、用户名和密码登陆网页进行多种实时查询和数据统计。而且能够对数据进行备份和恢复，使设备管理更科学。 利用综合查询系统查询的数据能够为卸船机钢丝绳、衬板、减速箱、抓斗、变频器以及高压电机等多种部件提供数据分析平台和更换依据，保护了卸船机各运行部件，延长了卸船机的使用寿命 。 卸船机无线称重系统通过数据积累，为卸船机司机的计件工资提供了依据，消除了“大锅饭的模式，从而大大提高了卸船机司机的工作积极性，保障了卸船效率。 2010 年 3 月 17日，日照港卸船机司机利用无线称重系统创造了单班 27000t 的世界卸船效率 8。 连续卸船机碰舱工况分析： 目前广泛使用的连续卸船机大多采用了双摆动式臂架，

18、如波状挡边带式卸船机、埋刮板式卸船机、压带式卸船机等。卸船机的上车回转、水平臂架俯仰和垂直臂架摆动一般采用液压驱动。卸船机作业时，由于波浪摇动和司机操作原因， 其垂直臂架和取料头很容易与船舶的舱口、舱壁或底部发生碰撞。有的卸船机为防止垂直臂架与舱口碰撞，在垂直臂架的矩形截面对角线 4 个角点向外延伸位置上，各设有 1 根与臂架平行的钢丝绳拉线，控制限位开关。当卸船机回转机构、俯仰液压缸或摆动液压缸动作，使垂直臂架四角的钢丝绳与船舶的舱口或其他障碍物发生碰撞时，相应机构立即停止动作，避免垂直臂架与障碍物碰撞。这种保护装置比较简单，但可靠性一般。本文主要研究垂直臂架和取料头与船舱发生刚性碰撞的情形

19、，由于船舶随波浪的摇摆或卸船机操作的原因而导致顶升或碰舱的现象是非常复杂的。为便 于分析，简化为图 2 所示的 9 种工况。其中工况 l 取料头碰舱底，由俯仰液压回路实现保护；工况 2、 3 由摆动和俯仰液压回路共同实现保护；工况 4、 5、 6、 7 由摆动液压回路实现保护；工况 8、 9 由回转液压回路实现保护 9。 常规料斗接料系统简介： 据不完全统计，现在投入使用的散货抓斗卸船机的回收装置的驱动方式主要有以下两种： 1)卷扬式； 2)液压式。 1 卷扬式接料系统 卷扬式接料系统原理如图 l 所示。簸箕型接料板 1 在卷扬机 2 的驱动下，通过三组转向滑轮组 3，绕料斗上沿的销轴转动，当

20、物料在接料板上堆积到一定程度时，起动卷扬机 将接料板向上扳起，让物料溜回料斗 4 内。本系统优点：减轻了劳动强度，不需要人力清理现场洒落的物料；缺点： 1)系统复杂，需配置卷扬机、滑轮组等，制造成本高； 2)需要经常扳起落料板，影响工作效率； 3)结构型式为刚性结构，在接料板被非正常撞击易损坏且修复困难，维护保养工作量大。 2 液压式接料系统 液压式接料系统原理如图 2 所示。当卸船机开始卸船时，起动液压站推动液压推杆 2，使得接料板 1 绕料斗上沿的销轴 3 转动并向外侧倾斜，当有物料洒落时，倾斜的接料板使其滑落到船舱内或者甲板上。本系统优点：结构简单；缺点： 1)需配置 液压站、液压管路，

21、设备成本较高； 2)结构型式为刚性结构，在接料板被非正常撞击易损坏且修复困难，维护保养工作量大； 3)当接卸大型减载船型时或在高潮位空舱清舱工况时，船舷高于接料板下沿，无法实现落料回收功能； 4)需用人力清理洒落的物料，效率低，劳动强度大 3。 钢丝绳： 钢丝绳使用的安全经济性分析卸船机钢丝绳缠绕系统中的起升开闭和牵引钢丝绳为频繁承受动静载荷的部位，这些钢丝绳在作业时，不但承受抓斗、物料和自重的静载荷。而且承受因加速度和冲击引起的动载荷。钢丝绳反复卷绕卷筒和滑轮，周期性承受较大的弯应力，承 受因弯曲引起的附加载荷；另外，当钢丝绳受力伸长时钢丝彼此之间产生摩擦，绳与滑轮、卷筒槽底，绳与起吊件之间

22、的摩擦等，使钢丝绳承受因摩擦引起的阻力载荷。钢丝绳在这些载荷的作用下产生很大的拉、弯应力，当拉伸、弯曲的次数超过一定数值后，会使钢丝绳出现“金属疲劳”的现象，钢丝出现磨损、断裂现象。因此，卸船机钢丝绳在生产实践中暴露出来的问题主要为磨损与断丝。 影响钢丝绳使用寿命的凶素有： 1 使用频率， 2 载荷情况， 3 润滑情况， 4 钢丝绳选型，5 设计制造因素 10。 卸船机载荷种类： 在工作过程中卸船机主要受固定载荷、移动载 荷、惯性载荷、风载荷、侧向载荷、钢丝绳张紧力等载荷作用 11。基本载荷指始终和经常作用在连续卸船机结构上的载荷，即卸船机正常工作时必然出现的载荷，主要包括： 1)自重载荷：设

23、备在工作时，其机械设备、电气设备、承载结构件及配重的自重力； 2)起升载荷：设备中散粒物料的重力。包括带式输送机上的有效载荷，取料装置中的有效载荷以及漏斗中的有效载荷； 3)经常性动载荷：运动机构在启动和制动时所产生的水平惯性载荷 12。 卸载时先考虑卸载物的不同按顺序进行，既有“强”的物体开始卸载两个“弱“的物体，其中之一有帮助的 ,最好 有较低的放电能力 13。 从卸货时间和优化卸载策略对这批货运输船舶进行搜索。对第一步卸货过程中情况 进行了分析 ,得出了结果模型在卡尔模型的基础上。该模型能从根本上能使一个计算卸货时间对卸载程序进行控制 14。 裂纹情况： 原料码头卸船机投产以来，数次在悬

24、臂梁底板位置出现裂纹。 2008年 12 月14 日， 1 8U2 卸船机前大梁上游俯仰滑轮座前部箱体梁底板及两侧腹板开裂，总裂纹长度约3 9 m，底板裂纹长 1 5m(见图 1)，全部贯穿底板，底板裂纹开口 12mm，腹板裂纹开口 5 mmi裂纹沿展见图 2，处于拉杆与滑轮的 中间部位，距离滑轮 1 nl 左右。该位置以前曾经出现过裂纹，从加强贴板的位置和大小来看，上次的焊缝出现在底板上，位于小车轨道下方，长度约 300 mm。本次裂纹贯穿了上次所贴的加强板 15。 结语 从 2007 年 2 月开始，全自动抓斗卸船机在上海港罗泾港区二期矿石码头投入了空载调试、重载测试，顺利完成了测试要求。 2007 年 3 月 26 日，该码头接卸了第一艘货轮。在作业效率方面，该自动卸船机相比其它几台同型号的人工作业卸船机，具有明显的提升，同时作业质量也大幅提高，显著减少了停机维护、清舱推铲等作业辅助时间。 迄今为止，该全自动抓斗卸船机已运行多年时间，系统运行情况良好。 课题组首创研发的世界首台全自动抓斗卸船机，工艺技术水平处于世界领先地位，填补了国内散货装备全自动控制领域的技术空白。通过以全自动抓斗卸船机为代表的港口典型物流散货装卸装备的研发，在上海将形成物流散货装卸装备与技术的应用开发平台，为建设国内第一个全自动散货码头的示范基地奠定了坚实基础 16。