短后懸裝船機液壓俯仰裝置計算分析

張金貴 段志強

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

裝船機俯仰裝置的主要功能是根據裝船的實際情況來調整臂架的上下俯仰角度。目前應用較多的一種俯仰形式是卷筒鋼絲繩式，其優點是俯仰角度變化大，運行平穩可靠；缺點是組成部件較多，包含電機、聯軸節、減速箱、鋼絲繩、滑輪組、制動器等，重量大并且所占空間多，且由于鋼絲繩的柔性使得俯仰裝置存在只能受拉不能受壓的特性。另一種形式是液壓油缸俯仰裝置，其優點是結構布置緊湊、重量較輕、構件少，抵抗負載冗余度大，能夠承受拉壓雙向受力；缺點是俯仰角度變化幅度小(通常在30°范圍內)，對管路油品密封等條件更為嚴苛[1]。另外由于裝船機臂架俯仰位置的變化導致結構重心改變，力矩容易突變，所以需要詳細的設計計算來明確是受壓工況還是受拉工況，以免發生危險。下面對短后懸裝船機的液壓油缸式俯仰裝置進行計算分析。

2 液壓油缸載荷工況

現場的裝船碼頭為突堤式，兩側靠船。碼頭縱向全長369.6 m,碼頭寬度15.54 m,軌距10.973 m,碼頭護舷外伸尺寸2 m,裝載船型為10 000～200 000 DWT的散貨船。裝船機的設計額定生產能力為6 000 t/h,最大裝船能力6 600 t/h,最大設計風速27.8 m/s,裝載物料為鐵礦石，工作俯仰角度-12°～13°，非工作俯仰角度為13°～21°。最大下俯角度時，應滿足最小船型在滿載低潮位置時溜筒底部停留在艙口下300～500 mm；最大工作上仰角度時，應滿足最大船型在空載高水位時，臂架結構距離艙口至少2 m[2]。

由于碼頭為兩側裝船且寬度較小，要求裝船機后懸不能超過對側護舷，故采用了液壓油缸俯仰和臂架短后懸加大配重的結構形式。整機上部回轉中心至臂架后懸配重中心的距離為7.6 m，臂架前端溜筒中心線至整機上部回轉中心的距離為40.6 m,俯仰液壓油缸的兩端分別鉸接在回轉平臺和臂架上。考慮結構和工況特點需要受力均衡穩定，故采用雙液壓油缸頂升的結構形式，臂架左右兩側各布置1根液壓油缸(見圖1)。

圖1 液壓油缸布置位置示意圖

根據力矩平衡定理計算液壓油缸受力情況，由于液壓油缸的力臂值在臂架俯仰過程中是不斷變化的，因此液壓油缸受力的情況也在不斷變化。

為了明確液壓油缸的受力情況，找出液壓油缸受力規律，需要根據臂架俯仰角度與液壓油缸受力情況，繪制液壓油缸受力曲線，以找出曲線的極值點。

通過整機穩定性計算得知需要配重230 t，當配重全部加上并且臂架水平時，計算得出：在內臂架最大外伸時，整個臂架部分包含物料總力矩為16.36 MNm，在內臂架最小外伸并且空載時整個臂架部分總力矩為3.63 MNm。據此計算得出其他角度力矩值，再分別算出油缸受力值見表1。

表1 液壓油缸受力計算簡表

根據表1中兩種工況建立坐標系，油缸受力情況見圖2。

圖2 油缸俯仰受力情況圖

根據曲線圖可以看出，受力均為正值，說明液壓缸只承受壓力，最大值為物料滿載內臂架最大外伸同時上仰角度為13°時，壓力值約為232.1 t；最小值為空載內臂架最小外伸同時下俯角度為-12°時，壓力值約為48.7 t。

3 液壓系統計算

3.1 液壓油缸系統設計

上文中得出油缸受力值范圍約為480～2 330 kN。根據圖紙油缸最短安裝長度為6 025 mm，最大長度為10 085 mm，油缸兩端分別安裝在臂架和轉臺結構上，左右對稱布置。

設計油缸缸徑350 mm，桿徑280 mm，安裝距為6 000 mm，行程4 110 mm，額定工作壓力為25 MPa，減壓閥設置工作壓力為22 MPa，試驗壓力為31.5 MPa[3]。

3.1.1 油缸額定壓力計算

計算油缸的額定壓力為：

F=2pπd2/4

(1)

式中，p為液壓油缸壓力，MPa；d為液壓缸活塞桿直徑，mm。代入數值，得出設定工作壓力下F=6 770 kN，試驗壓力為F=9 700 kN。

設定工作壓力下受力安全系數n=6 770/2 330=2.9。假設1根油缸出現問題，那么單根油缸受載安全系數n=3 385/2 330=1.45。

3.1.2 液壓泵站電機功率計算

液壓泵站電機功率為：

P=2Fv×9.8/η/60

(2)

式中，v為液壓缸速度，m/min；η為液壓系統效率，通常取0.8。

油缸行程約為4 110 mm，液壓站最大流量為100 L/min，俯仰速度v=0.615 m/min。計算得液壓站電機功率為28.8 kW，選用電機功率為45 kW，安全系數1.56。兩根油缸容積變化量總和為506 L，油箱容積取750 L。

3.2 液壓油缸的穩定性校核

根據前面計算得知，在臂架滿載并且最大外伸，上仰角度為13°時，液壓油缸受到壓力最大為2 330 kN，查看圖紙得知油缸伸出3 145 mm，自由彎曲長度為9 145 mm。

油缸的壓桿穩定性根據歐拉公式來計算：

(3)

計算得F=21 360 kN>2 330 kN，安全系數達到3.5，完全滿足油缸的工作要求。

油缸筒壁厚度校核,根據公式：

(4)

式中，P為工作壓力，取25 MPa；D為缸徑，0.35 m；σp為材料許用應力，355 MPa。

計算結果δ=11.8 mm；按照試驗壓力31.5 MPa，計算得δ=15.3 mm。實際油缸筒壁厚度是35 mm，強度滿足要求。

4 結語

針對短后懸裝船機俯仰裝置的液壓油缸和其液壓系統設計進行了較為深入的載荷分析、設計計算和穩定性校核，確保裝船機的安全風險為零，并且能夠從經濟效益上做到最優化，為類似工況的裝船機俯仰裝置設計提供一定的參考。