懸鏈斗卸船機(jī)臂架懸掛點(diǎn)的位置計(jì)算與優(yōu)化

楊大海 崔益華 邵海林

南通潤(rùn)邦重機(jī)有限公司

1 引言

懸鏈斗卸船機(jī)具有卸船效率高、清倉(cāng)量小、綜合使用成本低等優(yōu)勢(shì)，但是針對(duì)此種機(jī)型的設(shè)計(jì)資料較少，也不夠細(xì)化。實(shí)際項(xiàng)目中，臂架設(shè)計(jì)的懸掛吊點(diǎn)位置及臂架車(chē)輪安裝距的設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)至關(guān)重要，若設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)整機(jī)安全及使用性能不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。

2 懸鏈斗卸船機(jī)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 懸鏈斗卸船機(jī)特點(diǎn)

懸鏈斗卸船機(jī)通過(guò)臂架上懸掛的自由懸垂鏈斗在船艙內(nèi)進(jìn)行取料，鏈斗機(jī)構(gòu)將物料提升后卸載到臂架皮帶機(jī)上，再通過(guò)臂架皮帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到碼頭后方輸送系統(tǒng)，從而完成卸料。懸鏈斗機(jī)構(gòu)安裝在可在臂架上來(lái)回移動(dòng)的小車(chē)上，主臂架通過(guò)鋼絲繩與平衡配重相連而懸吊著，臂架的升降依靠俯仰鋼絲繩進(jìn)行(見(jiàn)圖1)。臂架為三角形結(jié)構(gòu)，根部上、下分別設(shè)有車(chē)輪組，沿門(mén)架海側(cè)門(mén)腿的內(nèi)、外側(cè)移動(dòng)[1-2]。整個(gè)臂架系統(tǒng)是一個(gè)自由狀態(tài)，由于小車(chē)在臂架橫梁上運(yùn)行，根部車(chē)輪承載隨小車(chē)位置變化而變化，繼而影響整個(gè)門(mén)架的受力狀態(tài)。

圖1 整機(jī)設(shè)備圖

2.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)描述

總體設(shè)計(jì)中臂架的吊掛點(diǎn)位置至關(guān)重要。吊點(diǎn)靠前，臂架的平衡性不夠，當(dāng)懸鏈機(jī)構(gòu)在非工作極限位置時(shí)車(chē)輪會(huì)脫離軌道，存在安全隱患。吊點(diǎn)太靠后，工作時(shí)臂架的車(chē)輪輪壓會(huì)超過(guò)許用值。臂架的吊點(diǎn)及車(chē)輪安裝距的設(shè)計(jì)直接影響到臂架車(chē)輪的輪壓、臂架的穩(wěn)定性、繼而影響臂架及門(mén)架結(jié)構(gòu)的受力及剛性。

3 現(xiàn)有計(jì)算及問(wèn)題分析

基本受力分析見(jiàn)圖2。針對(duì)臂架吊點(diǎn)位置的初選，常規(guī)的計(jì)算方法如下。

圖2 受力分析示意圖

要保證懸鏈處于海側(cè)極限位置時(shí)，車(chē)輪組輪壓不大于許用輪壓：

(1)

非工作懸鏈處于陸側(cè)極限位置時(shí)輪壓為正：

(2)

得出吊點(diǎn)的范圍為：L1min≤L1≤L1max。

式中，L為臂架吊點(diǎn)到門(mén)架中心的距離，m；∑M為懸鏈處于海側(cè)極限位置時(shí)，臂架上所有零部件的力矩和，Nm；∑G為懸鏈處于海側(cè)極限位置時(shí)，臂架上所有零部件的力矩和，Nm；∑M′為懸鏈處于陸側(cè)極限位置時(shí)，臂架上所有零部件的力矩和，Nm；∑G′為懸鏈處于陸側(cè)極限位置時(shí)，臂架上所有零部件的力矩和，Nm；G1，G2，G3，……Gi為懸鏈處于海側(cè)極限位置時(shí)，臂架上各部件的載荷，如臂架自重、鏈斗機(jī)構(gòu)自重、皮帶機(jī)自重等，N；L1，L2，L3，……Li為懸鏈處于海側(cè)極限位置時(shí)，臂架上各部件的載荷選對(duì)門(mén)架中心對(duì)應(yīng)的力臂，如臂架自重力臂、鏈斗機(jī)構(gòu)自重力臂、皮帶機(jī)自重力臂等，m；G′1，G′2，G′3，……G′i為懸鏈處于海側(cè)極限位置時(shí)，臂架上各部件的載荷，如臂架自重、鏈斗機(jī)構(gòu)自重、皮帶機(jī)自重等，N；[P]為車(chē)輪的許用輪壓，MPa；H為上下車(chē)輪的距離，m。

按以上步驟可以確定吊掛點(diǎn)的范圍，但是存在如下問(wèn)題：

(1)計(jì)算所得值范圍較大，具體在哪一個(gè)位置是最優(yōu)值無(wú)法得出，不能滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用中選取一個(gè)確切的點(diǎn)或一個(gè)較小的范圍值的要求。

(2)在實(shí)際項(xiàng)目中，還存在后方皮帶機(jī)的自重G和吊掛點(diǎn)的拉力F，這2個(gè)力對(duì)整個(gè)臂架的吊點(diǎn)位置選擇有很大影響。

(3)以式(1)、(2)計(jì)算出來(lái)的范圍可能會(huì)不存在，需要調(diào)整上下車(chē)輪組間距H的數(shù)值才能滿(mǎn)足實(shí)際工程需要，即H也是一個(gè)待優(yōu)化的變量，需要探究L1與H之間的關(guān)系。

4 優(yōu)化思路及方法

4.1 優(yōu)化思路

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)此吊點(diǎn)的確定給出一個(gè)臂架優(yōu)化的解決方案，為后續(xù)的實(shí)際項(xiàng)目提供指導(dǎo)和借鑒。

實(shí)際項(xiàng)目中，鏈斗機(jī)構(gòu)的兩個(gè)極限位置是根據(jù)船型確定的，最大輪壓則是根據(jù)門(mén)架結(jié)構(gòu)受力確定的。在這個(gè)系統(tǒng)中，臂架上下車(chē)輪組安裝間距H及臂架吊點(diǎn)位置L1是可調(diào)整的。所以?xún)?yōu)化思路為：以H、L1兩個(gè)變量建立優(yōu)化函數(shù)。

4.2 計(jì)算方法

以臂架根部上車(chē)輪組為鉸點(diǎn)建立力矩平衡，以小車(chē)在臂架橫梁上兩個(gè)極限位置為計(jì)算工況，計(jì)算過(guò)程如下。

懸鏈處于海側(cè)極限位置時(shí)，移動(dòng)臂架系統(tǒng)受力分析見(jiàn)圖3。

圖3 海側(cè)極限位置受力分析圖

TL1+4PH=GbLb+GmsLms

+GcsLcs+GiLi+GmiLi-GmlLml

-GclLcl+FLf

(3)

式中，P為工作最大輪壓，KN；Gi為鏈斗及運(yùn)行小車(chē)機(jī)構(gòu)重力，t；Gb為懸臂梁桁架金屬結(jié)構(gòu)重量，t；Gms為海側(cè)皮帶機(jī)物料重量，t；Gcs為海側(cè)皮帶機(jī)及機(jī)架重量，t；Gmi為鏈斗中物料的重力，t；Gml為陸側(cè)皮帶機(jī)物料重量，t；Gcl為陸側(cè)皮帶機(jī)及機(jī)架重量，t；F為吊掛點(diǎn)的拉力，kN。

非工作懸鏈處于陸側(cè)極限位置，移動(dòng)臂架系統(tǒng)受力分析見(jiàn)圖4。

圖4 陸側(cè)極限位置受力分析圖

(4)

式中，P′為非工作最小輪壓；Gms′=0，Gml′=0，Gmi′=0，則：

(5)

以上為兩個(gè)工況下的力學(xué)平衡式，由于其活動(dòng)載荷一定，現(xiàn)用式(3)減去式(5)，去除無(wú)關(guān)因素，從而得出與自身結(jié)構(gòu)相關(guān)的關(guān)鍵因素：

(T-T′)L1+(4P-4P′)H

=GmsLms-GmlLml+Gi(Li-L′)+GmiLi+(F-F′)Lf

(6)

式中，(F-F′)僅是物料變化引起，即

F-F′=0.5Gml/cosv

(7)

式中，(T-T′)為取料及輸送系統(tǒng)上物料變化引起的載荷，即

T-T′=Gms+Gml/2+Gmi

(8)

令GmsLms-GmlLml+Gi(Li-L′i)+GmiLi+(F-F′)Lf=K，整理后得：

(9)

極限狀態(tài)下，最大輪壓為許用輪壓，最小輪壓為零，則得出吊點(diǎn)與車(chē)輪安裝距的優(yōu)化關(guān)系式如下：

(10)

L1為臂架吊點(diǎn)X方向水平距離，H為上下車(chē)輪組Y方向垂直間距，L1與X的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 L1與H的關(guān)系圖

4.3 設(shè)置邊界條件

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，臂架吊點(diǎn)位置L1一定大于小車(chē)在陸側(cè)極限位置L′i，小于小車(chē)在海側(cè)極限位置Li的一半，即：L′i≤L1≤Li/2。在此范圍內(nèi)優(yōu)化確定H值，從而得出確切的L1值的大小。

4.4 最終驗(yàn)證

通過(guò)以上得出吊點(diǎn)位置L1，臂架根部車(chē)輪安裝距H，從而確定整個(gè)臂架的總體結(jié)構(gòu)尺寸，在此基礎(chǔ)上再確定門(mén)架的尺寸。整機(jī)布置確定后進(jìn)一步驗(yàn)算各工況下車(chē)輪輪壓和臂架受力。

5 實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)以我司設(shè)計(jì)制造的額定生產(chǎn)率為800 t/h的懸鏈斗卸船機(jī)為例進(jìn)行分析計(jì)算，基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基本參數(shù)

根據(jù)式(1)和式(2)，實(shí)際設(shè)計(jì)H為11.23 m時(shí)，計(jì)算出L1≤10.21 m，L1≥11.7 m，計(jì)算出的L1范圍不存在。由于H為固定數(shù)值，無(wú)法得出想要的結(jié)果，必須將H設(shè)為變量，不斷嘗試改變H值的大小才能確定出滿(mǎn)足要求的L1的范圍。

根據(jù)按優(yōu)化后式(10)的算法：設(shè)定工作最大輪壓P=[P]=35 t，非工作最小輪壓P′=0.1 t，得出：L1=237-17.78H。根據(jù)實(shí)際情況，L1的大體范圍為L(zhǎng)′i≤L1≤Li/2，從而計(jì)算出12.5≤H≤13。實(shí)際項(xiàng)目中，取H=12.5 m，L1=14.75 m。最后校核輪壓及整機(jī)穩(wěn)定性，滿(mǎn)足使用要求。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有懸鏈斗卸船機(jī)臂架吊點(diǎn)位置設(shè)計(jì)計(jì)算出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)懸鏈斗卸船機(jī)兩個(gè)典型工況的受力分析，創(chuàng)新性的提出了臂架吊點(diǎn)及車(chē)輪安裝距兩個(gè)變量的優(yōu)化計(jì)算方法，提高了設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。同時(shí)，臂架的結(jié)構(gòu)形式能夠快速準(zhǔn)確的確定，進(jìn)而優(yōu)化了整機(jī)的布置，對(duì)此種機(jī)型的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有參考和借鑒意義。