帶斗門(mén)座起重機(jī)非線性變幅速度的卸船生產(chǎn)率影響

肖利濤 王昭勝

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 青島 266530

0 引言

當(dāng)前，水運(yùn)市場(chǎng)越來(lái)越受到物流行業(yè)的青睞，運(yùn)輸船在碼頭上長(zhǎng)時(shí)間的滯留嚴(yán)重影響船運(yùn)的暢通性，滯留時(shí)間加長(zhǎng)會(huì)影響貨物的運(yùn)輸成本。影響運(yùn)輸船在碼頭上滯留時(shí)間的主要因素是碼頭裝卸設(shè)備的卸船生產(chǎn)效率。

散貨碼頭上設(shè)有各種裝卸設(shè)備，帶斗門(mén)座起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)帶斗門(mén)機(jī)）作為一種介于卸船機(jī)和普通門(mén)座起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)機(jī)）之間的設(shè)備，其專(zhuān)用性不同于卸船機(jī)，具有靈活多用途的特征。同時(shí)相較于普通門(mén)機(jī)，帶斗門(mén)機(jī)作業(yè)效率高出很多，故在散貨碼頭上應(yīng)用愈發(fā)廣泛。

1 研究目的

帶斗門(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)以上部分與普通門(mén)機(jī)設(shè)計(jì)完全一致，回轉(zhuǎn)以下部分設(shè)有卸料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)等卸料裝置。帶斗門(mén)機(jī)的臂架架構(gòu)形式?jīng)Q定變幅裝置不能使物品的水平變幅速度均勻，大多數(shù)變幅裝置的水平速度在最小幅度時(shí)為最大，而在最大幅度時(shí)則最小[1]。尤其是在小幅度范圍內(nèi)，速度比平均速度快。在帶斗門(mén)機(jī)裝卸效率計(jì)算時(shí)，均以平均速度進(jìn)行效率計(jì)算，然而臂架頭部吊點(diǎn)的變幅速度隨著工作幅度的變化呈現(xiàn)非線性變化的趨勢(shì)[1]，最大水平速度與最小水平速度甚至可達(dá)到2 倍的關(guān)系，實(shí)際卸船生產(chǎn)率與理論生產(chǎn)率存在差別，這對(duì)設(shè)備的選型和業(yè)主對(duì)效率的要求有較大的影響。因此，根據(jù)研究實(shí)際速度計(jì)算門(mén)機(jī)的卸船生產(chǎn)率，對(duì)散貨碼頭采購(gòu)設(shè)備參數(shù)的選擇具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 帶斗門(mén)機(jī)作業(yè)效率

帶斗門(mén)機(jī)作業(yè)效率主要是指單位時(shí)間內(nèi)裝卸貨物的數(shù)量。目前，尚無(wú)相關(guān)國(guó)家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定帶斗門(mén)機(jī)的作業(yè)考核工況，一般情況下根據(jù)合同要求完成數(shù)次完整的抓取循環(huán)，測(cè)量總抓取量和循環(huán)總時(shí)間，取其算術(shù)平均值作為計(jì)算額定生產(chǎn)能力用的一次抓取量q/t 和一次循環(huán)時(shí)間t/s，額定生產(chǎn)能力為[3]

專(zhuān)業(yè)卸船機(jī)的作業(yè)循環(huán)以港口平均水位、船舶滿(mǎn)載吃水、型深一半、艙口中間位置作為計(jì)算工況。以抓斗抓取貨物開(kāi)始，經(jīng)過(guò)抓斗閉合、抓斗起升、變幅運(yùn)行（滿(mǎn)斗運(yùn)行）、抓斗開(kāi)斗、變幅運(yùn)行（空斗運(yùn)行）、抓斗下降等過(guò)程，考慮機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換過(guò)程中必要的時(shí)間間隔，作為一個(gè)完整的作業(yè)循環(huán)過(guò)程。

帶斗門(mén)機(jī)生產(chǎn)率參考卸船機(jī)的計(jì)算方法，散貨船在港口平均水位、滿(mǎn)載吃水、形深一半、艙口中間位置作為計(jì)算工況，從船艙中間開(kāi)始抓取物料至漏斗上方卸料并返回船艙的作為一個(gè)循環(huán)過(guò)程（見(jiàn)圖1）。

圖1 帶斗門(mén)機(jī)生產(chǎn)率計(jì)算簡(jiǎn)圖

3 變幅速度水平速度

當(dāng)門(mén)機(jī)臂架擺動(dòng)變幅時(shí)，象鼻梁端點(diǎn)水平移動(dòng)速度不能相差過(guò)大，變幅裝置的水平變幅速度在最小幅度位置時(shí)為最大，在最大幅度位置時(shí)最小，尤其在小幅度范圍內(nèi)，由于速度加快，對(duì)裝卸和安裝工作很不利。因此，提出相應(yīng)的要求，一般控制在Vmax/Vmin＝1.2 ～1.6，個(gè)別情況Vmax/Vmin≤3.2[2]。

在計(jì)算臂架系統(tǒng)象鼻梁頭部水平速度時(shí)，一般采用速度瞬心計(jì)算法[4]。整個(gè)臂架系統(tǒng)繞臂架下鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)齒條線速度計(jì)算出臂架在每個(gè)幅度下的實(shí)際角速度，根據(jù)臂架實(shí)際角速度計(jì)算出象鼻梁與臂架鉸點(diǎn)的線速度，根據(jù)大拉桿和臂架結(jié)構(gòu)軸線鉸點(diǎn)計(jì)算出象鼻梁結(jié)構(gòu)的瞬心，通過(guò)瞬心到象鼻梁與臂架結(jié)構(gòu)鉸點(diǎn)的距離和瞬心到象鼻梁頭部的距離計(jì)算出象鼻梁頭部在每個(gè)幅度下的實(shí)際線速度。最后根據(jù)象鼻梁頭部實(shí)際線速度的方向轉(zhuǎn)換成象鼻梁頭部水平速度[5]。變幅速度水平速度的計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 變幅水平速度計(jì)算模型圖

4 分析計(jì)算

4.1 計(jì)算條件

以MQ4045 帶斗門(mén)機(jī)作業(yè)為例，計(jì)算變幅速度對(duì)作業(yè)效率的影響，起重機(jī)額定起重量為40 t（抓斗），最大工作幅度為45 m，最小工作幅度為12 m，軌面以上起升高度為25 m（抓斗），軌面以下起升高度為19 m（抓斗），使用抓斗情況下機(jī)構(gòu)起升速度為80 m/min，空載情況下機(jī)構(gòu)起升速度為120 m/min，變幅速度為80 m/min，抓斗起升加速時(shí)間為2.5 s，抓斗起升減速時(shí)間為2.5 s，變幅運(yùn)行加速時(shí)間為3 s，變幅運(yùn)行減速時(shí)間為3 s。漏斗上口高度H1為23 m，漏斗中心到海側(cè)軌道距離S1為2 m，漏斗邊緣到漏斗中心距離S2為7 m，海側(cè)軌道中心至護(hù)弦的水平距離S3為4.5 m，碼頭標(biāo)高WH1為6 m，高水位WH2為4.05 m，低水位為WH3為0.62 m，形寬B 為40.3 m，倉(cāng)口寬度C 為18.8 m，船體深D 為20.3 m，船體總高H 為22.4 m，滿(mǎn)載吃水深d 為14.5 m，空載吃水深dL為4.7 m。

4.2 變幅速度計(jì)算

根據(jù)瞬心計(jì)算法計(jì)算象鼻梁頭部水平速度[4]。變幅機(jī)構(gòu)齒條運(yùn)行線速度為恒定速度V，將變幅機(jī)構(gòu)齒條運(yùn)行線速度V 在四連桿臂架系統(tǒng)不同幅度下折算為垂直臂架結(jié)構(gòu)的速度Vy，計(jì)算出臂架結(jié)構(gòu)不同幅度下的運(yùn)行角速度ω。由臂架結(jié)構(gòu)和大拉桿找出不同幅度下臂架系統(tǒng)的瞬心，再計(jì)算出象鼻梁頭部的速度Vf，折算成水平速度Vfx。將帶斗門(mén)機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出表1 所示各幅度速度值。

表1 MQ4045 帶斗門(mén)機(jī)各幅度變幅速度

計(jì)算船型以70 000 t 和100 000 t 船型分別進(jìn)行計(jì)算對(duì)比平均速度和實(shí)際速度生產(chǎn)率計(jì)算差別，船型參數(shù)見(jiàn)表2。

4.3 均速變幅效率計(jì)算

在同樣的MQ4045 門(mén)機(jī)條件下，針對(duì)100 000 dwt船型和70 000 dwt 船型分別按照均速和實(shí)際速度進(jìn)行效率計(jì)算，對(duì)比實(shí)際速度對(duì)效率的影響。

1）100 000 dwt 效率計(jì)算

按照帶斗門(mén)機(jī)整個(gè)幅度平均速度進(jìn)行卸船作業(yè)效率計(jì)算，由于在帶斗門(mén)機(jī)中為了提高效率，對(duì)準(zhǔn)艙位后無(wú)需旋轉(zhuǎn)。因此，只考慮起升和變幅，分別計(jì)算起升、變幅行程，從而計(jì)算出所需時(shí)間。

已知閉斗行程為12.3 m，時(shí)間為11.73 s；滿(mǎn)載起升距離為27.29 m，時(shí)間為22.96 s；變幅幅度為22.65 m，時(shí)間為19.99 s。開(kāi)斗行程為12.3 m，時(shí)間為9.38 s；空載下降距離為27.29 m，時(shí)間為16.14 s；變幅幅度為22.65 m，時(shí)間為19.99 s。

以時(shí)間最短的工作軌跡抓斗出艙后即可邊提升邊變幅；空斗下降時(shí)離開(kāi)漏斗上方即進(jìn)行下降增幅。通過(guò)以上起升、變幅時(shí)間及行程計(jì)算分析得出圖3 所示循環(huán)時(shí)間圖。

由圖3 可知，一個(gè)工作循環(huán)總時(shí)間為78.66 s。

圖3 帶斗門(mén)機(jī)循環(huán)時(shí)間圖

抓斗抓滿(mǎn)一次抓煤量為24.5 t （ 抓斗自重為15.5 t），故生產(chǎn)率為

式中：T 為一個(gè)工作循環(huán)時(shí)間，P 為裝卸生產(chǎn)率，0.95 為抓斗充滿(mǎn)率，G 為每斗物料的質(zhì)量。

2）50 000 dwt 效率計(jì)算

已知閉斗行程為12.3 m，時(shí)間為11.73 s；滿(mǎn)載起升距離為27.29 m，時(shí)間為22.96 s；變幅幅度為18.35 m，時(shí)間為19.99 s。開(kāi)斗行程為12.3 m，時(shí)間為9.38 s；空載下降距離為27.29 m，時(shí)間為16.14 s；變幅幅度為18.35 m，時(shí)間為19.99 s。

以時(shí)間最短的工作軌跡抓斗出艙后即可邊提升邊變幅；空斗下降時(shí)離開(kāi)漏斗上方即進(jìn)行下降增幅。通過(guò)以上起升、變幅時(shí)間及行程計(jì)算分析，得出圖4 所示循環(huán)時(shí)間圖。

圖4 帶斗門(mén)機(jī)循環(huán)時(shí)間圖

由圖4 可知，一個(gè)工作循環(huán)總時(shí)間為75.71 s。抓斗抓滿(mǎn)一次抓煤量為24.5 t （ 抓斗自重為15.5 t），故生產(chǎn)率為P ＝1 107 t/h。

4.4 實(shí)際速度裝卸效率計(jì)算

1）1 000 00 dwt 效率計(jì)算

已知閉斗行程為12.3 m，時(shí)間為11.73 s；滿(mǎn)載起升距離為27.29 m，時(shí)間為22.96 s；變幅幅度為25 m，時(shí)間為19.04 s；開(kāi)斗行程為12.3 m，時(shí)間為9.38 s；空載下降距離為27.29 m，時(shí)間為16.14 s；變幅幅度為25 m，時(shí)間為19.04 s。

通過(guò)計(jì)算分析得出圖5 所示循環(huán)時(shí)間圖。由圖5 可知，一個(gè)工作循環(huán)總時(shí)間為76.04 s。抓斗抓滿(mǎn)一次抓煤量為24.5 t（抓斗自重為15.5 t），故生產(chǎn)率為P ＝1 102 t/h。

圖5 帶斗門(mén)機(jī)循環(huán)時(shí)間圖

2）50 000 dwt 效率計(jì)算

已知閉斗行程為12.3 m，時(shí)間為11.73 s；滿(mǎn)載起升距離為27.29 m，時(shí)間為22.96 s；變幅幅度為18.35 m，時(shí)間為15.18 s；開(kāi)斗行程為12.3 m，時(shí)間為9.38 s；空載下降距離為27.29 m，時(shí)間為16.14 s；變幅幅度為18.35 m，時(shí)間為15.18 s。

以時(shí)間最短的工作軌跡抓斗出艙后即可邊提升邊變幅；空斗下降時(shí)離開(kāi)漏斗上方即進(jìn)行下降增幅。通過(guò)以上起升、變幅時(shí)間及行程計(jì)算分析得出圖6 所示循環(huán)時(shí)間圖。

由圖6 可知，一個(gè)工作循環(huán)總時(shí)間為72.37 s。抓斗抓滿(mǎn)一次抓煤量為24.5 t （ 抓斗自重為15.5 t），故生產(chǎn)率為P ＝1 158 t/h。

圖6 帶斗門(mén)機(jī)循環(huán)時(shí)間圖

4.5 結(jié)果對(duì)比

從2 種計(jì)算方式來(lái)看，以變幅機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行生產(chǎn)效率計(jì)算比用平均速度計(jì)算生產(chǎn)效率要高，但差別有限。主要影響在變幅機(jī)構(gòu)在小幅度時(shí)，抓斗在漏斗上方，部分時(shí)間會(huì)有壓縮。其他幅度上變幅速度有的比平均速度小，有的比平均速度大，整體差別不大?？傮w而言，實(shí)際速度計(jì)算的生產(chǎn)率比平均速度計(jì)算的生產(chǎn)率高3%～5%，如表3 所示。

表3 效率對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算生產(chǎn)效率是一個(gè)理想的循環(huán)，計(jì)算得出的是計(jì)算額定生產(chǎn)率。在業(yè)主作業(yè)考核時(shí)，生產(chǎn)率一般比額定生產(chǎn)率有一定的富余量。在實(shí)際卸船作業(yè)時(shí)，除距離門(mén)機(jī)設(shè)備的一半船艙外，還需要卸遠(yuǎn)離門(mén)機(jī)設(shè)備的一半船艙。作業(yè)遠(yuǎn)離門(mén)機(jī)設(shè)備的一半船艙時(shí)，實(shí)際速度作業(yè)效率要低于平均速度作業(yè)效率，總體而言平均作業(yè)效率以平均速度核算比較合理。