張 楠

秦皇島港股份有限公司雜貨港務分公司

1 引言

隨著進出口貿易不斷增加,近年來糧食的進口量呈逐年增長的態(tài)勢,提高裝卸效率,加快船舶周轉,節(jié)能增效成為當務之急。散糧裝卸主要通過門座起重機(以下簡稱門機)完成,抓斗是散貨裝卸船作業(yè)時常用的裝卸工屬具,其中雙顎抓斗使用最多。散糧顆粒小、流動性強,在實際裝卸生產中發(fā)現(xiàn),起重機抓斗存在2個較為明顯的問題:一是抓取物料時漏料問題嚴重,普通雙顎抓斗通過2個斗瓣的開閉動作來抓取貨物,裝卸過程中,物料極易順縫隙及上沿漏出;在抓斗出船艙轉運過程中,抓斗的運動加速度改變,使灑漏現(xiàn)象更為嚴重,造成了物料損失,增加了生產成本;二是傳統(tǒng)抓斗設計自重較大,散貨碼頭使用的傳統(tǒng)16 t兩瓣抓斗自重約為7.0～7.3 t,其作業(yè)效率固定不變,無法滿足未來港口作業(yè)的發(fā)展新需求。為了提高作業(yè)效率,實現(xiàn)節(jié)能減排,使用輕型抓斗將是港口作業(yè)的趨勢。

為此研發(fā)防漏抓斗以提高抓取比和抑制灑漏揚塵。提高抓取比,需從抓斗結構與材料入手,降低抓斗自重,保障使用強度,實現(xiàn)最大抓取量。減少灑漏并抑制揚塵,需從抓斗的結構與密封性入手,在保障抓斗正常開閉的情況下,實現(xiàn)更好的防漏性能。

2 技術分析與設計

2.1 技術分析

由現(xiàn)場使用經驗可知,單純提高抓取比或提高封閉性能,都不能達到很好優(yōu)化效果。如果物料不能通過抓斗上口及時溢出,勢必會在抓斗內產生擠壓,最后導致抓斗不能有效閉合,而出現(xiàn)新的灑漏點。因此,提高抓斗的抓取比和封閉性能需要協(xié)調考慮。

通過多次抓取試驗分析,得出抓斗的結構是影響抓取效果的主要原因。對抓斗結構的關鍵部位進行了初步確認:一是底板與蓋板的連接部位;二是底板與側板的連接部位;三是底板內部筋板與底板的連接部位。以上3個部位對物料的流動影響大,需要優(yōu)化改進,進行流線型設計或圓角處理,在保障抓斗結構強度的前提下,減少對物料的阻力。

2.2 優(yōu)化設計

根據(jù)技術分析,從斗體、底板以及重量分布等方面對抓斗進行優(yōu)化設計(見圖1)。

1.上橫梁 2.下橫梁 3.撐桿 4.斗瓣圖1 抓斗優(yōu)化設計圖

(1)斗體優(yōu)化設計。根據(jù)抓斗開閉方向,合理優(yōu)化設計斗體的結構尺寸及長寬高的比例。在加大撐桿上鉸軸中心距的同時,相應增加撐桿下鉸點的中心距,同時加大斗體尺寸,使其在斗瓣打開后的抓取物料面積也相應增大。

(2)底板優(yōu)化設計。在斗體底板的設計中,將底板靠近底刃口的前端直線段尺寸加長,在抓取物料時,斗瓣打開到最大角度后插入物料的深度增大,在抓斗閉合過程中抓取物料更加飽滿。斗體底板后部圓弧部分的半徑加大,減小物料的流動阻力,提高物料流動速度,更快達到滿載效果。

(3)重量分布優(yōu)化設計。在設計抓斗結構分布情況時,為了提高抓取物料的下壓力,計劃增加斗體重量比例,減少下承梁重量。因為在抓斗閉合過程中,下承梁作為提升機構,對起重機做功起到負載荷效果;通過將其鋼制滑輪更換為尼龍滑輪后,可大大減少下承梁的自重,從而將對應的載荷轉移至增加的物料重量上,達到提高抓取比的效果。

利用三維軟件設計輕型防漏抓斗模型,實現(xiàn)高效設計,并獲得準確數(shù)據(jù)。通過不斷地調整撐桿同步器、撐桿角度、撐桿上鉸點孔中心距離、斗體斗沿和斗容設計等重要參數(shù),以獲得最合理的參數(shù)?；谲浖⑤p型防漏抓斗及裝置的三維模型,模擬抓斗斗瓣的打開閉合過程,避免調整后的防漏料結構與抓斗本體產生干涉,確定最終的設計模型(見圖2)。

1.上橫梁 2.撐桿 3.下橫梁 4.小斗瓣 5.大斗瓣圖2 抓斗三維設計圖

3 仿真分析

3.1 參數(shù)選取

在仿真試驗開始之前,要先確定材料屬性以及模擬過程的相關參數(shù),才可以保證后續(xù)仿真順利進行,主要參數(shù)設置如下。

3.1.1 材料參數(shù)

普通鋼和大豆的材料參數(shù)見表1,其中普通鋼材料參數(shù)均通過查閱文獻得到;大豆密度取試驗測量的平均值,泊松比通過查閱文獻得到,剪切模量通過相關計算公式獲得。

表1 材料主要參數(shù)

剪切模量是指材料在剪切應力作用下,切應力與切應變的比值,用字母G表示。剪切模量大小可以用來衡量材料抵抗切應變的能力,其值越大則剛性越強。彈性模量E、剪切模量G和泊松比V三個彈性常數(shù)之間的關系式為:

(1)

式中,E+、V+是受拉的彈性模量和泊松比;E-、V-是受壓的彈性模量和泊松比。若為經典的彈性材料,有E+=E-=E、V+=V-=V。則式(1)可簡化為:

(2)

由于大豆種子做拉伸試驗比較困難,故假設其為經典彈性材料,彈性模量取含水量13%時的平均值59.6 MPa。將E和V代入可得G=21.28 MPa。

3.1.2 接觸參數(shù)

查閱相關參數(shù)標定實驗文獻可得大豆與大豆、大豆與鋼的接觸參數(shù)。其中滾動摩擦系數(shù)的選取原則如下:在顆粒滾動不是占據(jù)明顯運動形式的模型里,滾動摩擦系數(shù)一般可以忽略不計,保持默認值即可;如果進行顆粒堆積模擬,則不能忽略滾動摩擦系數(shù)。本次仿真中,滾動摩擦系數(shù)選取為0.01。由于仿真模型為對稱模型,抓斗內的大豆會與物料槽直接接觸產生摩擦,因此,要盡量減小大豆與物料槽摩擦參數(shù),以避免摩擦力對仿真結果的影響。

3.2 建立模型

由于大豆的體積非常小,要想完全模擬真實條件下的抓取狀態(tài),需要生成大量的大豆顆粒,這大大增加了計算機的計算時間和存儲空間。在不影響仿真結果的基礎上,根據(jù)抓斗的幾何形狀特征,可將抓斗截取為對稱模型(見圖3)。

圖3 抓斗對稱模型圖

本次選用大豆進行仿真模擬,大豆為橢圓形狀,設置長軸尺寸為10 mm,短軸尺寸為6 mm。在仿真當中,默認的物料顆粒性狀是圓球形,但可以通過球體顆粒數(shù)量及尺寸的不同變化,組合構成較為符合實際的物料顆粒。為了能夠更加接近大豆顆粒的形狀,采用球體來構造近似的顆粒形狀,球體直徑為6 mm(見圖4)。

圖4 大豆顆粒模型圖

3.3 受力分析計算

抓斗做閉合提升動作時,僅閉合鋼絲繩作業(yè),當抓斗的起重量達到其額定重量16 t時,單根閉合鋼絲繩的起重重量為8 t。受滑輪組結構的影響,2根鋼絲繩給予上橫梁向下的拉力,并通過上橫梁、抓斗撐桿傳遞至抓斗斗瓣。在計算斗瓣閉合轉矩時需要將該作用力的作用點平移至斗瓣上,即抓斗撐桿與斗瓣的鉸接孔中心處。斗瓣旋轉中心與該鉸接孔的中心的距離為1 720 mm,當抓斗完全張開后該中心距投影至垂直于作用力方向上的長度變?yōu)?95 mm,在抓斗閉合過程中,2個旋轉中心會在某一時刻處于同一水平位置,投影長度為1 720 mm,當抓斗完全閉合后該中心距的投影長度變?yōu)? 408 mm時,在抓斗閉合過程中作用力的變化情況為不斷增大,力臂的變化情況為小-大-小。按照抓斗閉合后的滿載工況進行閉合力矩計算。

當抓斗滿載時,上橫梁通過抓斗撐桿作用到單個斗瓣上的力為78 400 N,單個斗瓣的閉合力矩為110 387.2 Nm。大斗瓣的寬度為3 170 mm,在仿真模型中,截取后的斗瓣的寬度為300 mm,仿真所得閉合力矩的大小為10 446.74 Nm,該模型的閉合力矩滿足使用要求。

4 技術創(chuàng)新

研發(fā)的輕型防漏抓斗技術創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下兩方面。

(1)自重輕,抓取比大。抓斗自重小,由原來的7 t降低到現(xiàn)在的4.8 t;抓取比由原來的1.3提高到現(xiàn)在的2.3。軸承采用MC尼龍滑輪,自潤滑、重量輕、耐磨、拆裝便捷?；喗M采用高強度耐磨輕型滑輪,在保障耐磨性的同時,減少抓斗自重。

(2)防灑漏,抑制揚塵。斗體采用流線型和圓弧設計,減小物料阻力,保障抓斗正常閉合。斗體封閉程度高,頂部預留空隙。滿負荷作業(yè)時,物料接近頂部空隙但不溢出,在保障抓取量的同時能有效避免物料溢出灑漏或揚塵。底部刃口板采用水平上下重合式結構,其重合長度大于物料的安息角長度,在長時間使用后即使出現(xiàn)磨損也不會出現(xiàn)漏料情況,防漏效果好。側刃口板采用T型結構防漏齒交叉密封方式,T型齒采用梭形設計,結構強度高,不易變形、多方向不易灑漏,防漏效果好。

5 結語

輕型散糧防漏抓斗可提高卸料生產效率,減輕勞動強度,減少物料泄漏及損失,改善環(huán)境。該抓斗的成功研發(fā)應用,為針對流動性較好物料的卸料提供技術支撐。