抓斗卸船机载荷分析

吴建兵，杨 凯

(湖北第二师范学院 物流智能化研究所，武汉 430205)

作为散料装卸码头主力装卸设备，抓斗式卸船机主要用于大宗货物如煤炭、沙、矿石、散粮、化肥、水泥的装卸。抓斗式卸船机具有技术成熟可靠、机动灵活性好等优点，主要缺点是间歇作业，有一半是空程，容易产生堆料、溢料等现象。开斗卸料产生的大量粉尘，也对环境造成了不利影响。目前，中国用户占据全球抓斗式卸船机市场一半以上。

抓斗式卸船机的卸船能力一般在100t/h—2000t/h。起重能力仅有几十吨，但设备自重通常都比较大，自重成本在整机成本中占相当大的比重。因此，对这类大型设备设计计算的核心任务是使设备在满足规范要求的前提下，尽量优化设计。通过对大型抓斗式卸船机的结构、工作原理、载荷及载荷组合的分析与研究，可以为大型抓斗式卸船机的设计、制造提供计算基础，也能为其它形式卸船机的设计计算提供借鉴，具有较大的理论意义和实际应用价值。

1 抓斗式卸船机的结构及工作原理

1.1 抓斗式卸船机基本结构

如图1所示，抓斗式卸船机主要有以下几个部分组成：电液抓斗、液压臂部件、回转部件。本文主要针对液压臂部件进行载荷组合及分析。

图1 200t/h 抓斗式卸船机整机结构

1.2 抓斗式卸船机工作原理

抓斗式卸船机工作时，根据货船的位置以及物料的堆积情况，由电液抓斗挖掘物料并从船舱中取出，经回转部件与液压伸缩缸工作，将物料经过回转部件中的导料槽送至料仓上方，至此完成卸船过程。

2 抓斗式卸船机基本工况

本项目为200t/h抓斗式卸船机，根据码头水位等情况，确定主要工作参数如表1所示。

表1 抓斗式卸船机主要工作参数

在工作状态下，根据水位的变化和工作要求，参照抓斗式卸船机整体结构，抓斗卸船机工作状态下的3个极限位置如图2所示。

图2 抓斗卸船机工作状态的极限位置

3 抓斗式卸船机载荷

根据中国机械工业标准汇编(起重机械卷)[1]和港口起重运输机械设计选型与使用维护及质量检验标准规范实用手册[2]，作用在抓斗式卸船机结构上的载荷主要分为基本载荷、附加载荷及特殊载荷三类(GB3811-83)。

3.1 基本载荷：指始终和经常作用在抓斗式卸船机结构上的载荷，即卸船机正常工作的时必然出现的载荷，主要包括：

3.1.1 自重载荷PG

自重载荷是指卸船机钢结构、动力与电气设备及其他辅助装置等的重力。自重载荷的作用方式视计算类型及结构特点而定，整体计算时将自重载荷视为通过各个部件中心的集中力。进行结构刚度和强度计算时，箱形结构的自重沿梁长均匀分布。

自重载荷由于起升载荷在不稳定运动时对结构产生的冲击作用，引入起升冲击系数μ1考虑，起升载荷在不稳定运动时产生的垂直附加动载荷，引入起升载荷动载系数μ2考虑。

(1)起升冲击系数μ1

当起升质量突然起升或下降时，自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击作用。在考虑这种工作情况的载荷时，应将自重载荷乘以起升冲击系数μ1，0.9≤μ1≤1.1，取μ1=1。

(2)起升载荷动载系数μ2

当起升质量突然起升或下降时，对承载机构和传动机构将产生附加的动载荷作用。在考虑这种工作情况的载荷时，应将起升载荷乘以大于1的起升冲击系数μ2。μ2的值一般在1.0-2.0范围内，起升速度越大、系统刚度越大、操作越猛烈，μ2的值越大。根据中国机械工业标准汇编(起重机械卷)，取μ2=2。

3.1.2 起升载荷PQ

起升载荷是指在抓斗卸船机正常工作的情况下起升质量的重力，起升质量主要包括允许起升的最大质量和起物装置的质量。在卸船机正常工况下，允许起升的最大重量和起物装置的重量即为卸船机所承受的起升载荷。当起升质量部分或全部突然卸载时将对结构产生动态减载作用，引入突然卸载冲击系数μ3考虑。减小后的起升载荷等于突然卸载冲击系数μ3与起升载荷的乘积。根据中国机械工业标准汇编(起重机械卷)，突然卸载冲击系数μ3的计算公式为：

式中：Δm-起升质量突然卸去的那部分质量(kg)，m-起升质量(kg).

对于抓斗类起重机械，β3=0.5，则μ3=0.15

3.1.3 水平惯性载荷Pi

水平惯性载荷是指回转机构起(制)动时引起的水平惯性载荷。由JIs B 8831[19]可知：

Pi=Wigβ

式中：Pi-惯性力(N)，Wi-运动部分的重量(kg)，g-重力加速度(m/s2)，β-惯性力计算系数。

惯性力计算系数β因运动方式不同而不同。本卸船机主要运动是回转部件的回转所产生的惯性力，即为回转部件、液压臂部件、电液抓斗部件及其相关附件所产生的重力乘以惯性计算系数。

3.1.4 挖掘阻力Pd：是指卸船机在工作过程中，取料机构因挖料而受到的阻力。挖掘阻力的大小不仅与电液抓斗自身的结构参数有关，还与被挖掘的物料的相关特性有关，计算过程相当复杂，由电液抓斗供货方提供。

3.2 附加载荷：指卸船机在正常工作状态下结构所承受的非经常性作用的载荷(在卸船机正常工作时可能出现的载荷)，主要包括：

3.2.1 风载Ri

工作状态下作用在卸船机钢结构上的风载荷。风载荷是由风对迎风物体所造成的空气动力。露天作业的起重机应该考虑风载荷的作用，风载荷的大小和方向均为随机的水平动力，在已知风速和风压的条件下，迎风物体所受的风载荷可表示为：

Ri=CAiq

其中：Ri-作用在迎风物体上的风载荷(N)，C-风力系数，Ai-垂直于风向的有效迎风面积(m2)，q-计算风压，Pa(N/m2)

(1)风力系数C

风力系数与受风物体的构造、体型和尺寸等因素有关，臂架部分和抓斗为箱型截面，L/H=10-20，查表可得C=1.6。司机室、配重箱及配电柜及电气设备箱，因悬空，取C=1.2。

(2)迎风面积

卸船机机构的迎风面积，按其净面积与最不利风向的垂直投影面积计算。本文所涉及的卸船机的结构中，主要为单片结构和双片结构，且双片结构多为对称结构。

(3)风压

计算风压规定为按空旷地区离地10m高度处的计算风速来确定。工作状态的计算风速按阵风风速(瞬时风速)考虑，非工作状态计算风速按2分钟时距平均风速考虑。表2为风压计算标准。

本卸船机在海港码头工作，故按沿海计算，取工作时计算风压250 N/m2，非工作状态计算风压1000 N/m2。

表2 室外起重机械计算风压(N/m2)

(4)风载

根据创建的几何模型，可直接得到各结构的最大迎风面积。根据迎风物体所受的风载计算公式，可得到抓斗卸船机各主要构件的迎风载荷。

3.2.2 温度载荷、冰雪载荷及某些工艺性载荷，本文中未予以考虑。

3.3 特殊载荷：指卸船机在非工作状态下结构可承受的的最大载荷，或在工作状态下结构偶然承受的不利载荷，包括：

3.3.1 风载Ro：非工作状态下作用在卸船机金属结构上的风载荷。

3.3.2 冲击载荷T：臂架及抓斗组件在旋转时，卸船机所受到的能使其突然制动的载荷。

4 卸船机载荷组合

以上各种载荷不是同时作用在卸船机上，在同一时刻也并不只有一种载荷作用在卸船机上。在设计计算时应按照卸船机所处的不同工况，按最不利的情况进行合理的组合。

4.1 载荷组合的形式

本文对卸船机载荷的计算，采用的是许用应力法，即构件在任一类组合载荷的作用下求得的结构件或者连接件的计算应力不得大于相应的许用应力，且计算时一般不考虑塑性。根据中国机械工业标准汇编(GB3811-83)，通常采用以下三种载荷组合形式：

载荷组合I-只考虑基本载荷的载荷组合形式，即只包括结构的自重以及相关附着物的自重，工作过程中的活载、挖掘阻力和卸船机行走以及回转过程中所产生的惯性载荷。

载荷组合II-考虑基本载荷和附加载荷的共同作用。在本文中附加载荷是指卸船机正常工作情况下所受的风载，即在载荷组合I的基础上加上风载。

载荷组合Ⅲ-考虑基本载荷与特殊载荷，或同时考虑基本载荷、附加载荷和特殊载荷，此附加载荷是指在非工作状态下卸船机所受的风载，特殊载荷主要包括地震载荷和冲击载荷。

上述的载荷组合仅用于构件及其联接的强度和疲劳强度计算，强度的安全系数必须同时满足载荷组合I、II和Ⅲ三类情况下的规定值，疲劳强度只按载荷组合I的情况进行计算。每一类载荷组合中列出了若干种组合方式，计算时应根据工况和计算目的选取对所计算的结构最不利的组合方式。对于移动载荷，计算时必须使它们对所计算的结构处于最不利的位置。载荷在组合时，总是按它们对所计算的结构和连接最不利的方向叠加。具体组合情况见表3。

表3 载荷与载荷组合

4.2 载荷组合的结果

通过对卸船机工作时的三个极限位置载荷组合的计算，最不利的载荷组合分别为为组合II1、II1、Ⅲ2。

5 结语

大型钢构起重设备的载荷计算比较复杂。抓斗式卸船机主要工作于各大港口，工作时不仅仅受自身自重和工作载荷的作用，还受各种附加载荷的作用。本文以抓斗式卸船机为例，在卸船机结构基本确定的前提下，分析计算了各种状态下其所受的载荷，并针对不同工况下进行了载荷组合，确定出卸船机的极限状态，为卸船机的优化设计提供了可靠依据。