張金貴，段志強(qiáng)

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

煤炭和鐵礦石作為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)能源，在國(guó)際貿(mào)易中發(fā)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(zhuǎn)運(yùn)輸送，從礦山到國(guó)內(nèi)外鋼鐵廠的整個(gè)過程中，需要許多大運(yùn)量生產(chǎn)率的裝船機(jī)來裝載大噸位散貨船并且需要良好的深水港區(qū)。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(qū)建設(shè)泊位，在深水區(qū)建設(shè)常規(guī)碼頭的費(fèi)用極其龐大。為節(jié)約建設(shè)成本，采用了簡(jiǎn)易靠樁帶弧線軌道碼頭，弧線擺動(dòng)裝船機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。常規(guī)的裝船機(jī)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(dòng)作實(shí)現(xiàn)裝船作業(yè)。相比直線行走，裝船機(jī)應(yīng)用在陸基岸線上，弧線擺動(dòng)裝船機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景大多是在近海離岸的海洋中，使用環(huán)境復(fù)雜，工作條件惡劣。大噸位的弧線擺動(dòng)裝船機(jī)在國(guó)內(nèi)還很少設(shè)計(jì)制造，此文介紹了能夠覆蓋40,000DWT-90,000DWT的散貨船，額定生產(chǎn)率為6000t/h、裝船物料為煤炭的大型弧線擺動(dòng)裝船機(jī)基本情況。

1 整機(jī)方案設(shè)計(jì)

本機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均需要突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是按照GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和FEM標(biāo)準(zhǔn)第II部分：移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不僅需要對(duì)總體布置進(jìn)行系統(tǒng)性研究，還需針對(duì)弧線行走臺(tái)車、長(zhǎng)距離皮帶伸縮輸送系統(tǒng)、大跨距門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以等關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行研究。該機(jī)主要構(gòu)成部件：（1）俯仰機(jī)構(gòu)，（2）門座架，（3）前臂架，（4）后臂架，（5）立柱，（6）俯仰纏繞系統(tǒng)，（7）皮帶機(jī)系統(tǒng)，（8）針銷驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)，（9）直線行走臺(tái)車，（10）回轉(zhuǎn)支承，（11）平衡小車式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，（12）弧線行走臺(tái)車，（13）溜筒裝置等。整機(jī)以回轉(zhuǎn)支承為圓心，以海側(cè)弧線行走臺(tái)車組位支撐，平衡小車式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力沿海側(cè)弧形軌道實(shí)現(xiàn)±45°回轉(zhuǎn)裝船。回轉(zhuǎn)半徑65米，定點(diǎn)回轉(zhuǎn)。前臂架與立柱通過前拉桿鉸接成一體，繞立柱鉸點(diǎn)作-3°～+10°的工作角度俯仰，非工作角度+10°～+25°俯仰。皮帶機(jī)系統(tǒng)前后伸縮距離達(dá)33米，靠安裝在后臂架后部的針銷驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。以下為各個(gè)主要工作機(jī)構(gòu)的功能特點(diǎn)的簡(jiǎn)要介紹。工作級(jí)別按FEM標(biāo)準(zhǔn)第II部分：移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。整機(jī)工作級(jí)別：A8主結(jié)構(gòu)；E8各機(jī)構(gòu)工作級(jí)別見表1。

表1 機(jī)構(gòu)工作級(jí)別表

1.1 俯仰機(jī)構(gòu)和纏繞系統(tǒng)

俯仰機(jī)構(gòu)的主要功能是使臂架圍繞立柱鉸點(diǎn)做上下俯仰改變角度，以此滿足裝船作業(yè)。臂架和立柱的俯仰通過一套變幅傳動(dòng)的鋼絲繩和省力滑輪組組成的纏繞系統(tǒng)完成，俯仰機(jī)構(gòu)布置在后臂架上部后方，其連接部位具有足夠的強(qiáng)度和剛度，纏繞系統(tǒng)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(diào)節(jié)左右平衡。這套機(jī)構(gòu)系統(tǒng)能夠確保臂架在俯仰過程中的任何位置的啟動(dòng)、制動(dòng)平穩(wěn)，勻速升降，位置準(zhǔn)確，安全可靠穩(wěn)定。鋼絲繩繞進(jìn)繞出卷筒對(duì)鋼絲繩偏離螺旋槽兩側(cè)偏斜角不大于3.5°，繞進(jìn)繞出滑輪槽時(shí)偏斜最大角度不大于5°。本機(jī)構(gòu)還要設(shè)置一套應(yīng)急驅(qū)動(dòng)裝置。俯仰機(jī)構(gòu)主要構(gòu)成組件是電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、高速制動(dòng)器、安全制動(dòng)器、卷筒、減速箱和凸輪限位組件等部件。

1.2 弧線行走臺(tái)車和平衡小車式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置

弧線擺動(dòng)裝船機(jī)以回轉(zhuǎn)支承為圓心沿大半徑弧形軌道回轉(zhuǎn)和臂架前后伸縮幅度較大，整機(jī)重心變化大導(dǎo)致海側(cè)車輪輪壓不穩(wěn)定，由于制作和安裝誤差每組車輪的軸線很難做到同時(shí)保持在車輪與整機(jī)回轉(zhuǎn)中心連線的法線方向上，采用行走臺(tái)車中軸線與圓弧切線垂直的方式設(shè)計(jì)臺(tái)車結(jié)構(gòu)，使行走結(jié)構(gòu)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(dòng)模式。銷齒的傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)是拆卸維修方便，低速重載，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。主要由電機(jī)、行星減速箱、制動(dòng)器、齒輪等組成安裝在兩組弧線行走臺(tái)車中間，通過平衡小車與門座架海側(cè)橫梁鉸接。采用的2驅(qū)1備模式，即使其中1組傳動(dòng)損壞的前提下不影響整機(jī)的裝船效率。平衡小車的主要目的是為了調(diào)整針銷的安裝間隙和傳遞水平驅(qū)動(dòng)力矩，兩側(cè)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(cè)門腿下方的抗剪塊作用來傳遞力矩驅(qū)動(dòng)整機(jī)±45°回轉(zhuǎn)。

1.3 針銷驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)和直線行走臺(tái)車

針銷驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(jī)載皮帶機(jī)兩側(cè)。驅(qū)動(dòng)裝置主要的組成部分是電機(jī)、高速聯(lián)軸節(jié)、高速制動(dòng)器和行星減速器等，直線行走臺(tái)車的主要組成部分是車輪和一、二級(jí)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(tái)車支撐。針銷驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)小齒輪驅(qū)動(dòng)滾針齒條作往返運(yùn)動(dòng)。在直線行走臺(tái)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(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，安裝精度要求不高，傳遞扭矩大。

1.4 皮帶機(jī)系統(tǒng)

皮帶機(jī)系統(tǒng)由皮帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、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(gòu)成。主要作用是承載物料轉(zhuǎn)運(yùn)從高架廊道皮帶機(jī)到船艙的關(guān)鍵部件。根據(jù)布置位置大致分成三段，前段安裝在前臂架內(nèi)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(shí)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(qū)動(dòng)功率，減少皮帶長(zhǎng)度和托輥數(shù)量。皮帶驅(qū)動(dòng)布置在箱梁結(jié)構(gòu)尾部，維護(hù)方便。為了節(jié)約結(jié)構(gòu)空間和皮帶傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，采用中部重錘張緊模式，使得整套皮帶機(jī)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔可靠。機(jī)載皮帶機(jī)托輥直徑194mm,承載托輥槽角35°，間距1000mm。承載和回程段設(shè)置自動(dòng)糾偏托輥組，受料段設(shè)置小間距橡膠緩沖托輥。此外，還設(shè)置跑偏、速度檢測(cè)、緊急停車和堵料安全保護(hù)裝置。

1.5 門座架結(jié)構(gòu)

裝船機(jī)回轉(zhuǎn)半徑65米，門座架箱梁長(zhǎng)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(jié)構(gòu)組合體，為了減小結(jié)構(gòu)變形和安裝誤差目的，陸側(cè)尾部采用了5米直徑的回轉(zhuǎn)大軸承作為整機(jī)的錨定基礎(chǔ)，回轉(zhuǎn)大軸承回轉(zhuǎn)部分與門座架橫梁采用鉸接結(jié)構(gòu)形式。門座架海側(cè)橫梁與門座架橫梁也采用鉸接聯(lián)接以釋放結(jié)構(gòu)變形，能否處理好剛?cè)岵?jì)的結(jié)構(gòu)形式是該機(jī)關(guān)鍵核心問題。

1.6 溜筒裝置

溜筒系統(tǒng)的主要功能是改變物料運(yùn)行方向和抑制浮塵。物料由機(jī)載皮帶機(jī)上的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到物料沿溜筒垂直運(yùn)動(dòng)，溜筒底部的拋料勺具有回轉(zhuǎn)拋料平艙功能，使物料能夠改變拋射距離達(dá)到更大范圍的覆蓋船艙。溜筒裝置由轉(zhuǎn)接料斗、筒體、筒體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，拋料勺通過動(dòng)力油缸調(diào)節(jié)拋料角度。整個(gè)筒體利用擺動(dòng)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(tài)。溜筒能夠?qū)崿F(xiàn)±180°回轉(zhuǎn)和拋料角度-15°～+45°。

1.7 回轉(zhuǎn)支承

回轉(zhuǎn)支承裝置位于整機(jī)后部門座架橫梁下方，主要組成部分是固定下筒體、回轉(zhuǎn)上筒體和回轉(zhuǎn)大軸承組成，固定下筒體與陸側(cè)圓柱樁基相連，回轉(zhuǎn)上筒體與門座架橫梁聯(lián)接。回轉(zhuǎn)支承確保整機(jī)在水平載荷和垂直載荷交互作用之下的平穩(wěn)運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。回轉(zhuǎn)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(shè)有集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，所有潤(rùn)滑點(diǎn)提供足夠油脂保證。為了便于回轉(zhuǎn)大軸承的更換與維護(hù)，在上下筒體還設(shè)置頂升支架和防滑移裝置。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù)

整機(jī)結(jié)構(gòu)布置形式見圖1。圖示為兩個(gè)狀態(tài)，一是臂架伸出到最大外伸距的工作狀態(tài)，二是臂架縮回到最小外伸距并俯仰+25°時(shí)換艙非工作狀態(tài)。其主要特點(diǎn)有：布局新穎，結(jié)構(gòu)緊湊合理，回轉(zhuǎn)半徑大，伸縮行程長(zhǎng)，定點(diǎn)回轉(zhuǎn)等?；【€擺動(dòng)裝船機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：

圖1 弧線擺動(dòng)裝船機(jī)整機(jī)布置簡(jiǎn)圖

（1）額定生產(chǎn)率6000t/h；（2）最大生產(chǎn)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(jī)回轉(zhuǎn)角度-45°～+45°；（7）最大回轉(zhuǎn)半徑（回轉(zhuǎn)支承中心到溜筒中心）125m；（8）回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(fēng)速75m/s。

3 裝船工藝流程及裝載船型

該機(jī)裝載工藝流程是物料通過高架廊道皮帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到裝船機(jī)尾部回轉(zhuǎn)支承上方的卸料斗內(nèi)，然后，由機(jī)載輸送皮帶系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)到臂架頭部卸料斗內(nèi)，再通過導(dǎo)向溜筒進(jìn)入船倉(cāng)，溜筒下部的拋料勺可以提高物料的拋射距離來實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)大車的回轉(zhuǎn)和溜筒的角度擺動(dòng)、拋料板的角度調(diào)整來實(shí)現(xiàn)整個(gè)船倉(cāng)的覆蓋作業(yè)。臂架皮帶機(jī)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(duì)較少時(shí)的換艙，需要后方喂料皮帶停止供料但是皮帶機(jī)不停機(jī)情況下采用臂架俯仰避過船倉(cāng)蓋板收起時(shí)的工況。該機(jī)所能裝載的散貨船型為40,000DWT～90,000DWT。表2為裝船作業(yè)船型，圖2為回轉(zhuǎn)加伸縮形成的扇形裝船區(qū)域。

圖2 弧線擺動(dòng)裝船機(jī)裝船覆蓋范圍簡(jiǎn)圖

表2 裝船作業(yè)船型

4 防風(fēng)安全措施

港口機(jī)械通過總結(jié)以往事故案例得到的經(jīng)驗(yàn)，主要大的安全隱患出現(xiàn)在防風(fēng)問題上，一旦發(fā)生風(fēng)災(zāi)，會(huì)造成不可估量的損失，所以設(shè)計(jì)好整機(jī)的防風(fēng)裝置是極其重要的。本機(jī)分為工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)，工作風(fēng)≤25m/s，非工作風(fēng)≤75m/s。工作狀態(tài)的防風(fēng)裝置是弧線行走臺(tái)車車輪上設(shè)置的夾輪器，夾輪器工作原理是利用液壓制動(dòng)力抱住車輪產(chǎn)生的摩擦力讓車輪不能滾動(dòng)，如果風(fēng)壓產(chǎn)生的推動(dòng)力超過了裝船機(jī)輪壓產(chǎn)生的摩擦力，機(jī)器在軌道上產(chǎn)生滑移。非工作狀態(tài)的防風(fēng)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(tái)車的兩側(cè)，利用安裝在臺(tái)車上的錨定板和固定在碼頭上的錨定坑產(chǎn)生的抗剪力提供阻擋整機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。另一套是防風(fēng)維修擱架布置在停機(jī)位處海側(cè)碼頭處，裝船機(jī)停機(jī)作業(yè)后回轉(zhuǎn)到面海右側(cè)停機(jī)位上，臂架縮回到極限狀態(tài)并放置在防風(fēng)維修擱架上鎖定。在此情況下，整機(jī)穩(wěn)定可靠不影響散貨船的靠泊。防風(fēng)維修擱架的另一個(gè)重要作用是當(dāng)需要維修俯仰機(jī)構(gòu)等部件時(shí)保持整機(jī)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。圖3為弧線擺動(dòng)裝船機(jī)停機(jī)位狀態(tài)。

圖3 弧線擺動(dòng)裝船機(jī)停機(jī)位狀態(tài)簡(jiǎn)圖

5 結(jié)語

目前，我國(guó)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造此種類型大型弧線擺動(dòng)裝船機(jī)的數(shù)量比較少，經(jīng)驗(yàn)還不夠豐富。國(guó)際上現(xiàn)存的還在作業(yè)的弧線擺動(dòng)裝船機(jī)數(shù)量也是非常有限，且大多已運(yùn)行多年，瀕臨更新?lián)Q代狀態(tài)。通過對(duì)弧線擺動(dòng)裝船機(jī)的整機(jī)布置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用工況等進(jìn)行了一定程度的探究分析，為以后的設(shè)計(jì)和制造此種類型的裝船機(jī)提供一定的借鑒。