張偉健，馬曉晶

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

200 m3級大型抓斗機總體設計

張偉健，馬曉晶

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

摘要：以滿足南海疏浚作業(yè)為目標，開發(fā)設計滿足南海工況的200 m3級大型抓斗機，整理分析并確定南海海域疏浚作業(yè)工況(風、浪、挖深等)，介紹抓斗機總體設計方案、主要機構設計方案、重要結構計算、電氣控制系統(tǒng)方案,以及大型抓斗的主要性能參數(shù)。

關鍵詞：大型抓斗機；總體設計；液壓主動抓斗

目前，我國能適應南海作業(yè)工況的大型抓斗疏浚船很少，并且這些船舶都是按照沿海作業(yè)、近海調遣設計的，無法適應南海特殊作業(yè)工況。此外由于受到抓斗容積限制，船舶的施工效率也無法滿足南海建設的需要。開發(fā)大型抓斗式疏浚工程船和抓斗機械，形成自主知識產(chǎn)權，迫在眉睫。目前國內現(xiàn)有疏浚船的抓斗機多為整機進口，自主設計制造方面幾乎空白。本文對能適應南海海域開敞水域作業(yè)200 m3級大型抓斗機主要執(zhí)行機構、結構的設計及選型進行介紹，為同型產(chǎn)品設計提供參考。

1概況

200 m3抓斗機主要由主體結構(包括臂架、人字架、轉盤、圓筒體及拉桿)、傳動機構(起升、回轉機構及鋼絲繩纏繞系統(tǒng))、動力系統(tǒng)(電氣、液壓系統(tǒng))、抓斗，以及輔助系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1　抓斗機示意

抓斗機在設計時要充分考慮環(huán)境條件適應性，要能滿足南海開闊水域施工的需求,設計參數(shù)要符合當?shù)貧庀蟓h(huán)境及地質條件，抓斗機的設計需考慮設備維護方便、快捷及一定的經(jīng)濟性。根據(jù)項目設計要求，應能達到以下性能指標。

額定拉力：6 900 kN；

吊臂長度：33 m；

工作半徑：31 m；

吊臂作業(yè)角度：50°；

抓斗：輕型PLC 200 m3、370 t(自重)；

中型PLC 136 m3、400 t(自重)；

最大提升高度為10 m(水線以上)。

2抓斗機總體設計

大型抓斗機容量大、需在南海敞開海域進行作業(yè)、工況復雜，載荷重、作業(yè)頻繁、作業(yè)環(huán)境嚴酷、對結構沖擊非常大、制動器發(fā)熱高；同時轉盤轉動慣量大，回轉速度快，總體布置空間局促，目前普遍使用的總體方案無法滿足設計要求，為此需研究新的功率大、效率高、尺寸小、機構簡單且易于實現(xiàn)自動控制的總體方案。

2.1設計參數(shù)對氣象環(huán)境的適應性

根據(jù)南海海域歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)及相關資料[1-4]，抓斗機工作狀態(tài)最大風速確定為20 m/s；浪高1.85 m(有義波高)、浪周期7 s。以上可滿足南海70%以上的工作窗口期，整機性能配置具有較高的經(jīng)濟性。

綜合考慮南海可作業(yè)區(qū)域水深兼顧沿海普通疏浚作業(yè)及設計的經(jīng)濟合理性，本抓斗機工作水深確定如下。

定位樁挖深～30 m(水線下垂直深度)；

最大挖深～80 m (水線下垂直深度)。

2.2主要技術參數(shù)

抓斗機主要技術參數(shù)的確定與額定起重載荷、工作循環(huán)過程及產(chǎn)量要求密切相關。根據(jù)施工要求，抓斗機需滿足以下工作循環(huán)過程。

抓斗下放→抓斗到位后的制動→液壓抓斗閉合→抓斗提升→抓斗制動→回轉至駁船位置→液壓抓斗打開卸泥→回轉至挖泥位置→抓斗下放，見圖2。

圖2　抓斗機工作循環(huán)示意

抓斗機額定拉力為6 900 kN，額定起升速度為50 m/min，下降速度為66 m/min，回轉速度為0.6 m/min。綜合考慮載荷的組合情況、起升、回轉系統(tǒng)的動力分配方案，經(jīng)計算抓斗機總裝機功率定為9 000 kW。由于搭載抓斗機的船為自航船，且航行與疏浚作業(yè)不同時工作，在抓斗機動力方案設計上充分考慮了本船工況及控制特點，提出船、機共用發(fā)電機組的設計思路，整機動力由疏浚發(fā)電機組提供(航行時，此發(fā)電機組給推進系統(tǒng)供電)通過中心集電器滑環(huán)傳輸供電。

2.3總體布置

本機起升重量、高度、回轉直徑都是目前世界上現(xiàn)有抓斗機中最大的，整機的布置綜合考慮主體結構鉸點位置、各功能機構排布、機器房布置、鋼絲繩走向及配重設置等各方面因素，整機轉盤結構分頂層、上層和下層三層排布，見圖3。

圖3　轉盤結構

頂層主要安裝出繩裝置、通風裝備，后部安裝電氣電阻箱柜，前部安裝電纜卷筒。上層主要布置起升機構、電氣裝置及結構件鉸點，最前面布置臂架的2個鉸點，后布置4套起升機構，低壓電氣柜布置于轉盤的左右兩側。轉盤下層中心位置留給中心集電環(huán)安裝，尾部為配重空間，2個變壓器柜及高壓配電柜也安裝于下層空間?；剞D機構安裝于下層左右兩側的回轉半徑處，對稱布置。整個轉盤及機器房布置合理、緊湊[5-7]。

2.4起升機構

本機起升機構(見圖4)采用變頻控制，整機供電由中心集電環(huán)上機，為減小電纜直徑及損耗，采用高壓電上機(6 kV)。為適應南海工況，保證大挖深要求，起升機構采用卷筒驅動，并采用獨創(chuàng)的串聯(lián)形式，從而達到節(jié)約空間的目的，并解決了鋼絲繩纏繞偏角過大的問題[8]。

2.5回轉機構

抓斗機作業(yè)頻繁、沖擊大，加上海上作業(yè)維護困難，本機回轉機構采用齒圈驅動形式，齒圈直徑約20 m，為普通疏浚抓斗機的2倍。

圖4　起升機構

經(jīng)過反復計算論證及與相關專業(yè)配套廠商的多次溝通，提出新型的分段式內齒圈(見圖5)設計方案，既解決了無法整體制造的生產(chǎn)瓶頸，又能完全適應抓斗機大沖擊載荷的使用工況。更重要的是，每段齒條均可互換，相比傳統(tǒng)型式具有維護方便、節(jié)約成本的優(yōu)勢。

圖5　齒圈分段

2.6纏繞系統(tǒng)

由于作業(yè)頻繁，抓斗機使用的鋼絲繩磨損非常嚴重，平均3個月就要進行1次更換。本機起重量大，鋼絲繩繩數(shù)多，纏繞系統(tǒng)復雜，選擇繩徑60 mm，該繩徑為抓斗船上使用的最粗的綱絲繩直徑，若超過該尺寸更換鋼絲繩異常困難。

根據(jù)抓斗機起升總載荷及鋼絲繩的安全系數(shù)，起升機構采用16個吊點，是普通方量抓斗機(2開閉繩，2支持繩)的4倍。由于吊點較多，抓斗吊點使用多重平衡梁結構，緩解抓斗各鋼絲繩間載荷的不平衡受力情況，通過幾組平衡梁的均勻，能使每根鋼絲繩上的受力均勻，減小沖擊，延長鋼絲繩的使用壽命及減小載荷對機構及結構的沖擊，見圖6。

圖6　起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)

2.7結構布置

考慮到抓斗船的工況(主要用途是南海取料)，本抓斗機不布置變幅機構，靠移船來執(zhí)行相應動作功能，優(yōu)點是能提高南海作業(yè)時的可靠性、安全性；本機結構布置簡單、自重輕、整機穩(wěn)定性高、并對回轉部分結構進行了優(yōu)化。固定式臂架根據(jù)工作幅度及受力情況，角度定為50°，以此確定人字架的高度及滑輪布置形式。

結構設計中充分考慮南海作業(yè)的特殊性，臂架采用箱形結構，并采用高強度合金鋼，減小疲勞點；轉盤采用雙層結構，二道工字主梁，方便機構及電氣布置，采用合理的圓桶體支撐結構。同時結構設計根據(jù)CCS規(guī)范要求，進行加載，充分考慮海上作業(yè)波浪、船傾引起的附加載荷，采用有限元進行分析，優(yōu)化局部設計,控制應力集中點的發(fā)生，使應力值在合理的范圍之內[8-9]。抓斗機在帶載及放置狀態(tài)下的最大結構應力云圖見圖7、8。

圖7　抓斗機帶載工況最大結構應力圖

圖8　抓斗機放置工況最大結構應力圖

2.8電控系統(tǒng)

1) 采用新型變頻控制方案，起升機構采用變頻控制4個起升電機同步工作；回轉機構采用變頻控制4個回轉電機同步工作來完成抓斗機的作業(yè)過程。驅動器采用直接轉矩控制DTC技術。逆變器的開關狀態(tài)由電機的核心變量磁通和轉矩直接控制。測量的電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入。電機轉矩比較器將轉矩實際值與轉矩給定調節(jié)器的給定值作比較，磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調節(jié)器的給定值作比較。依靠來自這2個比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關狀態(tài)。

2) 制動器采用動態(tài)控制，控制PLC獲取驅動器制動一剎那時驅動器的輸出力矩，并且在下次打開制動器時，將此力矩提前送給驅動器，并檢測驅動器已輸出此力矩后再打開制動器。制動器在制動時保證速度為0，實現(xiàn)零速制動，再次打開制動器前，PLC將前一次獲取的驅動器輸出力矩，也就是此時重物的重量，再以預力矩的方式送給驅動器，并且檢測此時驅動器確實已經(jīng)輸出了同樣大小的力矩后，再打開制動器。在技術指標上，主要采用驅動器波形圖的方式，特別是在制動器打開和閉合的瞬間，對機械機構和制動器本身的沖擊降為0，并且在制動器打開的瞬間，卷筒0沖擊，平穩(wěn)提升或下放重物，并且同時在控制邏輯中還保證了提升重物的防墜功能，最大程度地保證了提升重物的安全。實現(xiàn)制動系統(tǒng)機械和電氣的有機結合，減小制動沖擊及運動平穩(wěn)性，減小制動盤的磨損及發(fā)熱。

3) 抓斗機的起升機構通過變頻器控制電機，通過PLC控制實現(xiàn)平穩(wěn)啟動和停止，由于采用多卷筒多出繩起升機構的設計，為保證起升的同步性，電氣系統(tǒng)采用速度跟隨的控制方式，通過邏輯控制器進行邏輯對比以驅動電機同步控制，保證了控制的準確和可靠。

2.9液壓主動抓斗

目前國內外大部分抓斗機使用的抓斗為機械重力抓斗，斗容在30 m3左右，最大50 m3。但是大斗容機械抓斗纏繞布置困難，鋼絲繩數(shù)眾多會造成閉合力維持和同步控制難以同時保證的情況，無法適應本機200 m3的設計要求[11-12]。

近年來，電動液壓抓斗發(fā)展十分迅速，在煤炭、砂石、礦石、木材等各使用工況均已有規(guī)格齊全、品種繁多，性能良好的產(chǎn)品。在疏浚工程作業(yè)方面，具有操作簡單、更換方便、挖掘性能好的優(yōu)勢。

為配合本機200 m3大方量、硬質土的要求，設計研發(fā)了200 m3輕型及136 m3中型兩型電動液壓抓斗。主要技術參數(shù)見表1。

表1　兩型電動液壓抓斗主要技術參數(shù)

3結論

1) 南海全年風速小于17 m/s的概率為93.97%，大部分區(qū)塊全年有義波高在1.85 m以下概率達70%以上。作業(yè)區(qū)域平均水深40～50 m，最大水深80 m。因此抓斗機開敞水域作業(yè)設計條件選取最大風速20 m/s、浪高1.85 m、最大挖深80 m可以滿足足夠的作業(yè)有效時間。

2) 本文200 m3抓斗機為國內首個自行研究的大型抓斗機。采用新型的串聯(lián)卷筒型式的起升機構方案設計，克服了大扭矩、大跨距、多出繩卷筒的設計難題，減小了機構布置空間占用。采用了新型的纏繞系統(tǒng)交錯布置型式，有效解決了本機載荷不均、出繩數(shù)多、出繩角難保證等技術難題。采用分段式齒圈回轉機構設計，有效解決制造難題，提高可靠性和互換性。

3) 結構上采用優(yōu)化設計，嚴格按照《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》，通過有限元進行加載和結構校核計算，計算結果符合規(guī)范要求。采用高強度材料，有效減小結構自重。

4) 自主設計研發(fā)了大型電液主動抓斗，抓斗通過液壓系統(tǒng)自動調節(jié)抓取力大小，大大減小抓斗的容重比，提高抓取效率，克服機械重力抓斗滑輪布置難題及斗容無法做大的技術瓶頸，形成自主知識產(chǎn)權。

5) 提出新型抓斗機變頻控制方案，為抓斗機驅動技術提供新的技術方案，實現(xiàn)降低成本，增加效率，減小驅動器設備體積，減少排放等目標。

6) 提出了多卷筒起升控制方案，解決了多卷筒起升同步控制難題，為大型抓斗機起升系統(tǒng)控制提供技術支撐。

7) 創(chuàng)新設計了制動系統(tǒng)機械制動+電氣制動組合式控制方案，提高施工安全性，解決大功率起升機構制動冷卻的難題。

參考文獻

[1] 趙煥庭.南沙群島自然地理[M].北京：北京科學出版社,1996.

[2] 方鐘圣.西北太平洋波浪統(tǒng)計集[M].北京：北京國防工業(yè)出自動社,1996.

[3] 謝以萱.南沙群島及其鄰近海區(qū)地質地球物理及島礁研究論文集(一)[C].北京：海洋出版社，1991.

[4] 中國科學院南沙綜合科學考察隊.南沙群島及其鄰近海區(qū)綜合調查研究報告(一)[R].北京：科學出版社,1989.

[5] 中國船級社.船舶與海上設施起重設備規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2007.

[6] 孫楓.港口起重機設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2007.

[7] 中國國家標準化管理委員會.GB3811—2008.起重機設計規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[8] 張偉健，蔡志碩，魏富龍，等.抓斗式挖泥船及其抓斗機起升機構：ZL 2014 2 0138126.0[P].2014-08-20.

[9] 盧耀祖.機械結構設計[M].上海：同濟大學出版社，2004.

On the General Design of 200 m3Large Grab Machine

ZHANG Wei-jian, MA Xiao-jing

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Abstract:According to the dredging requirements in the South China Sea, a 200 m3 capacity large grab machine is developed. The dredging working conditions (including wind, wave and dredging depth) of the South China Sea are analyzed. The general design scheme, main mechanisms, important structures' calculation, electrical control system and main performance parameters of the grab for this machine are determined.

Key words:large grab machine; general design; hydraulic grab

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.001

收稿日期：2015-10-29

基金項目：工信部高技術船舶科研計劃項目[工信部聯(lián)裝(2012)539號]

第一作者簡介：張偉健(1968—)，男，學士，高級工程師 E-mail:zhangweijian@zpmc.net

中圖分類號：U664.4

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0001-05

修回日期：2015-11-30

研究方向:挖泥船用疏浚設備