6000TPH弧線擺動裝船機設計探究

張金貴，段志強

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

煤炭和鐵礦石作為工業生產的基礎能源，在國際貿易中發揮著重要作用。向海外出口煤炭和鐵礦石等大宗散貨物品就需要大噸位散貨船來轉運輸送，從礦山到國內外鋼鐵廠的整個過程中，需要許多大運量生產率的裝船機來裝載大噸位散貨船并且需要良好的深水港區。大型散貨船的吃水深度一般要大于14m。有些港口自然水深不夠，需要到深水區建設泊位，在深水區建設常規碼頭的費用極其龐大。為節約建設成本，采用了簡易靠樁帶弧線軌道碼頭，弧線擺動裝船機應運而生。常規的裝船機一般在陸基岸線上沿著兩條平行的軌道直線行走，借助臂架伸縮、俯仰等動作實現裝船作業。相比直線行走，裝船機應用在陸基岸線上，弧線擺動裝船機的應用場景大多是在近海離岸的海洋中，使用環境復雜，工作條件惡劣。大噸位的弧線擺動裝船機在國內還很少設計制造，此文介紹了能夠覆蓋40,000DWT-90,000DWT的散貨船，額定生產率為6000t/h、裝船物料為煤炭的大型弧線擺動裝船機基本情況。

1 整機方案設計

本機是一個復雜的系統工程，多項關鍵技術均需要突破傳統的設計理念，設計標準是按照GB/T3811-2008《起重機設計規范》和FEM標準第II部分：移動式散料連續搬運設備設計規范進行設計。設計標準不僅需要對總體布置進行系統性研究，還需針對弧線行走臺車、長距離皮帶伸縮輸送系統、大跨距門架結構設計以等關鍵技術方面進行研究。該機主要構成部件：（1）俯仰機構，（2）門座架，（3）前臂架，（4）后臂架，（5）立柱，（6）俯仰纏繞系統，（7）皮帶機系統，（8）針銷驅動伸縮機構，（9）直線行走臺車，（10）回轉支承，（11）平衡小車式回轉驅動裝置，（12）弧線行走臺車，（13）溜筒裝置等。整機以回轉支承為圓心，以海側弧線行走臺車組位支撐，平衡小車式回轉驅動裝置提供動力沿海側弧形軌道實現±45°回轉裝船。回轉半徑65米，定點回轉。前臂架與立柱通過前拉桿鉸接成一體，繞立柱鉸點作-3°～+10°的工作角度俯仰，非工作角度+10°～+25°俯仰。皮帶機系統前后伸縮距離達33米，靠安裝在后臂架后部的針銷驅動伸縮機構提供動力。以下為各個主要工作機構的功能特點的簡要介紹。工作級別按FEM標準第II部分：移動式散料連續搬運設備設計規范進行設計。整機工作級別：A8主結構；E8各機構工作級別見表1。

表1 機構工作級別表

1.1 俯仰機構和纏繞系統

俯仰機構的主要功能是使臂架圍繞立柱鉸點做上下俯仰改變角度，以此滿足裝船作業。臂架和立柱的俯仰通過一套變幅傳動的鋼絲繩和省力滑輪組組成的纏繞系統完成，俯仰機構布置在后臂架上部后方，其連接部位具有足夠的強度和剛度，纏繞系統的下部滑輪組安裝在后臂架上，上部滑輪組安裝在立柱頂部，通過鋼絲繩平衡梁來調節左右平衡。這套機構系統能夠確保臂架在俯仰過程中的任何位置的啟動、制動平穩，勻速升降，位置準確，安全可靠穩定。鋼絲繩繞進繞出卷筒對鋼絲繩偏離螺旋槽兩側偏斜角不大于3.5°，繞進繞出滑輪槽時偏斜最大角度不大于5°。本機構還要設置一套應急驅動裝置。俯仰機構主要構成組件是電機、聯軸節、高速制動器、安全制動器、卷筒、減速箱和凸輪限位組件等部件。

1.2 弧線行走臺車和平衡小車式回轉驅動裝置

弧線擺動裝船機以回轉支承為圓心沿大半徑弧形軌道回轉和臂架前后伸縮幅度較大，整機重心變化大導致海側車輪輪壓不穩定，由于制作和安裝誤差每組車輪的軸線很難做到同時保持在車輪與整機回轉中心連線的法線方向上，采用行走臺車中軸線與圓弧切線垂直的方式設計臺車結構，使行走結構受力更合理，行走車輪阻力更小，不影響單組車輪更換維修等。為了降低安裝精度和避免車輪打滑等情況，采用3組針銷式外嚙合銷齒傳動模式。銷齒的傳動優點是拆卸維修方便，低速重載，運行平穩可靠。主要由電機、行星減速箱、制動器、齒輪等組成安裝在兩組弧線行走臺車中間，通過平衡小車與門座架海側橫梁鉸接。采用的2驅1備模式，即使其中1組傳動損壞的前提下不影響整機的裝船效率。平衡小車的主要目的是為了調整針銷的安裝間隙和傳遞水平驅動力矩，兩側布置4組偏心水平輪，底部布置4組行走滾輪，支撐架中間有水平抗剪塊，通過與門座架海側門腿下方的抗剪塊作用來傳遞力矩驅動整機±45°回轉。

1.3 針銷驅動伸縮機構和直線行走臺車

針銷驅動伸縮機構的驅動部分安裝在后臂架后部下方，齒條部分固定在門座架橫梁上機載皮帶機兩側。驅動裝置主要的組成部分是電機、高速聯軸節、高速制動器和行星減速器等，直線行走臺車的主要組成部分是車輪和一、二級平衡梁。前臂架、拉桿、立柱和后臂架鉸接成一體通過直線行走臺車支撐。針銷驅動伸縮機構的驅動小齒輪驅動滾針齒條作往返運動。在直線行走臺車的兩端極限位置，安裝碰撞能量吸收緩沖器。伸縮速度約每分鐘6米。針銷驅動的優點是穩定可靠，安裝精度要求不高，傳遞扭矩大。

1.4 皮帶機系統

皮帶機系統由皮帶驅動機構、重錘張緊裝置、改向滾筒、承載托輥、回程托輥、皮帶以及一些附屬零部件構成。主要作用是承載物料轉運從高架廊道皮帶機到船艙的關鍵部件。根據布置位置大致分成三段，前段安裝在前臂架內部皮帶水平布置，中段安裝在后臂架底部皮帶傾角8°，后段安裝在門座架橫梁的上方。皮帶縮回時中段的回程皮帶落在門座架橫梁上方的承載托輥上，這種布置形式可以有效降低皮帶伸縮纏繞的高度。皮帶伸縮行程33米，形式布局更合理，減少皮帶驅動功率，減少皮帶長度和托輥數量。皮帶驅動布置在箱梁結構尾部，維護方便。為了節約結構空間和皮帶傳動平穩可靠，采用中部重錘張緊模式，使得整套皮帶機系統更加簡潔可靠。機載皮帶機托輥直徑194mm,承載托輥槽角35°，間距1000mm。承載和回程段設置自動糾偏托輥組，受料段設置小間距橡膠緩沖托輥。此外，還設置跑偏、速度檢測、緊急停車和堵料安全保護裝置。

1.5 門座架結構

裝船機回轉半徑65米，門座架箱梁長度約86米，箱梁截面高度5米，直線行走伸縮軌距7米。這么龐大的結構組合體，為了減小結構變形和安裝誤差目的，陸側尾部采用了5米直徑的回轉大軸承作為整機的錨定基礎，回轉大軸承回轉部分與門座架橫梁采用鉸接結構形式。門座架海側橫梁與門座架橫梁也采用鉸接聯接以釋放結構變形，能否處理好剛柔并濟的結構形式是該機關鍵核心問題。

1.6 溜筒裝置

溜筒系統的主要功能是改變物料運行方向和抑制浮塵。物料由機載皮帶機上的水平運動轉換到物料沿溜筒垂直運動，溜筒底部的拋料勺具有回轉拋料平艙功能，使物料能夠改變拋射距離達到更大范圍的覆蓋船艙。溜筒裝置由轉接料斗、筒體、筒體回轉機構、回轉支承、油缸組件和拋料勺等組成。筒體和拋料勺可以通過回轉機構實現回轉，拋料勺通過動力油缸調節拋料角度。整個筒體利用擺動油缸可以適度前后傾斜，也可以在臂架俯仰情況下呈垂直于地面的狀態。溜筒能夠實現±180°回轉和拋料角度-15°～+45°。

1.7 回轉支承

回轉支承裝置位于整機后部門座架橫梁下方，主要組成部分是固定下筒體、回轉上筒體和回轉大軸承組成，固定下筒體與陸側圓柱樁基相連，回轉上筒體與門座架橫梁聯接。回轉支承確保整機在水平載荷和垂直載荷交互作用之下的平穩運行起到關鍵作用。回轉軸承采用的是三排滾子式，兩排滾柱在水平方向平行排列以承載軸向載荷，另一排垂直排列的滾柱承受徑向載荷。設有集中潤滑系統，所有潤滑點提供足夠油脂保證。為了便于回轉大軸承的更換與維護，在上下筒體還設置頂升支架和防滑移裝置。

2 結構特點及性能參數

整機結構布置形式見圖1。圖示為兩個狀態，一是臂架伸出到最大外伸距的工作狀態，二是臂架縮回到最小外伸距并俯仰+25°時換艙非工作狀態。其主要特點有：布局新穎，結構緊湊合理，回轉半徑大，伸縮行程長，定點回轉等。弧線擺動裝船機的主要技術參數：

圖1 弧線擺動裝船機整機布置簡圖

（1）額定生產率6000t/h；（2）最大生產率6500t/h；（3）臂架工作俯仰角度-3°～+10°；（4）臂架非工作俯仰角度+10°～+25°；（5）臂架伸縮行程33m；（6）整機回轉角度-45°～+45°；（7）最大回轉半徑（回轉支承中心到溜筒中心）125m；（8）回轉驅動半徑65m；（9）皮帶寬度2200mm；（10）皮帶速度4m/s；（11）最大輪壓小于等于450kN/輪；（12）非工作風速75m/s。

3 裝船工藝流程及裝載船型

該機裝載工藝流程是物料通過高架廊道皮帶機轉運到裝船機尾部回轉支承上方的卸料斗內，然后，由機載輸送皮帶系統轉運到臂架頭部卸料斗內，再通過導向溜筒進入船倉，溜筒下部的拋料勺可以提高物料的拋射距離來實現物料更大范圍的平艙能力。在裝船過程中，通過臂架的伸縮、回轉大車的回轉和溜筒的角度擺動、拋料板的角度調整來實現整個船倉的覆蓋作業。臂架皮帶機工作角度是-3°～+10°，臂架最大非工作俯仰角度為+25°。散貨船處于高水位，物料相對較少時的換艙，需要后方喂料皮帶停止供料但是皮帶機不停機情況下采用臂架俯仰避過船倉蓋板收起時的工況。該機所能裝載的散貨船型為40,000DWT～90,000DWT。表2為裝船作業船型，圖2為回轉加伸縮形成的扇形裝船區域。

圖2 弧線擺動裝船機裝船覆蓋范圍簡圖

表2 裝船作業船型

4 防風安全措施

港口機械通過總結以往事故案例得到的經驗，主要大的安全隱患出現在防風問題上，一旦發生風災，會造成不可估量的損失，所以設計好整機的防風裝置是極其重要的。本機分為工作狀態和非工作狀態，工作風≤25m/s，非工作風≤75m/s。工作狀態的防風裝置是弧線行走臺車車輪上設置的夾輪器，夾輪器工作原理是利用液壓制動力抱住車輪產生的摩擦力讓車輪不能滾動，如果風壓產生的推動力超過了裝船機輪壓產生的摩擦力，機器在軌道上產生滑移。非工作狀態的防風裝置有兩套裝置，一套是用四組錨定裝置布置在弧線行走臺車的兩側，利用安裝在臺車上的錨定板和固定在碼頭上的錨定坑產生的抗剪力提供阻擋整機轉動。另一套是防風維修擱架布置在停機位處海側碼頭處，裝船機停機作業后回轉到面海右側停機位上，臂架縮回到極限狀態并放置在防風維修擱架上鎖定。在此情況下，整機穩定可靠不影響散貨船的靠泊。防風維修擱架的另一個重要作用是當需要維修俯仰機構等部件時保持整機穩定平衡狀態。圖3為弧線擺動裝船機停機位狀態。

圖3 弧線擺動裝船機停機位狀態簡圖

5 結語

目前，我國設計和生產制造此種類型大型弧線擺動裝船機的數量比較少，經驗還不夠豐富。國際上現存的還在作業的弧線擺動裝船機數量也是非常有限，且大多已運行多年，瀕臨更新換代狀態。通過對弧線擺動裝船機的整機布置、結構特點、使用工況等進行了一定程度的探究分析，為以后的設計和制造此種類型的裝船機提供一定的借鑒。