桥式抓斗卸船机机器电气房设计

张金贵

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

随着大型散货专用船舶的持续发展，大吨位卸船机发展迅速。随着机型高度变高，内部机构和电气柜尺寸变大，位于卸船机陆侧门腿结构顶部的电气房也越来越大，其迎风面积增大，结构重量增加，使得整机轮压增加，提高了码头基建和设备制造成本，并且降低了卸船机的安全使用系数。为此，有必要对机器电气房进行分析探讨。

2 功能结构

机器电气房作为一个整体部件安装在后大梁上方的陆侧肩梁上，主要由底盘、围棚、屋顶、门窗、通风扇、出绳罩等结构零部件组成。对外界半封闭隔断，满足隔热、防风、防雨、防火、防尘、抗腐蚀、抗台风等基本要求。

屋顶设计坡度不小于1∶10，四周设置漏水槽，让雨水能及时排出。屋顶和侧面墙壁结构一般采用H型钢做骨架，外表面采用厚度不小于1.4 mm的镀锌波形板或者3 mm的不锈钢平板做蒙皮，内层采用0.6～0.8 mm的彩钢扣板或铝板嵌压覆盖，中间层采用薄壁矩形管或者角钢做檩条，隔热保温填充物一般是泡沫塑料、玻璃棉或岩棉等，厚度在50～100 mm。聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)价格较低，安装方便但阻燃性较差，燃烧时会释放有毒烟雾。酚醛泡沫塑料的阻燃性优于EPS，但不及玻璃棉，价格较高。泡沫塑料隔热较好，但是吸音效果相对不佳。玻璃棉和岩棉是无机纤维类产品，价格适中，吸音效果好防火性能佳，是目前比较成熟可靠的吸音隔热材料。如果对噪声要求特别高，还可以采用穿孔板加吸音材料的组合办法来解决。通常机器房内噪声要求≤105 dB(A),电气房内噪声要求≤75 dB(A)。

机器房内噪声源主要是起升开闭小车运行机构和俯仰机构的电机频繁正反转切换，高低速制动器频繁制动，以及减速箱和支承轴承等其他机械振动摩擦等。由于这些噪声源来自于卸船机的主要工作机构，降低其本身噪声的工作难度很大，所以应从加强机器房的隔音入手。

3 热量计算

机器房的热源分内外两个方面，外部主要是环境温度和太阳的热辐射，内部主要是减速箱油温散热、电机散热、轴承和机械部件的摩擦散热等。技术规格书通常要求机器房内的夏季作业室温要小于40 ℃，房内保持微正压，散热降温的通风换气次数不小于30次/h。鉴于卸船机是处理散料的设备，工作环境粉尘多，机器房是一个半密闭的防尘空间，无法自然通风，所以一般都会采取机械强制通风的方案。采用带有空气过滤器的进风扇和排风扇，进风扇的空气过滤器用无纺布材料制作，排风扇出风口采用不锈钢网作防鸟用途，通风扇尽量均布，通风扇罩壳下方净空高不小于2 m。

通风扇排气总量为：

Q=qn

(1)

式中，q为单个通风扇排气量，m3/h；n为通风扇数量；换气次数为：

M=Q/V

(2)

式中，V为机器房内部空间体积，m3。根据计算结果选择风扇型号与数量。

电气房通常是内嵌在机器房内的一个相对密闭房间，电气房的四壁和顶部采用隔热、隔音、阻燃材料。室内安装冷热兼用的工业空调，以确保制冷后室内的温度不高于25 ℃，制热后室内的温度不低于18 ℃，且专门配备除湿机。电气房内的布局一般采用的是PLC室与控制柜室分开的模式，PLC室有CMS控制柜；控制柜室内有大车行走、俯仰机构、起升开闭小车运行机构的变频控制柜、低压控制柜、低压配电柜、照明控制柜等。高压开关控制柜和主副变压器布置在电气房外的机房内。

电气房需要计算热量转换作为依据选择空调的功率参数。

墙壁及屋顶的基本传热量为：

Qj1=KF(tw-tn)a

(3)

式中，K为传热系数，W/m2℃，取K=5.68/R；R为热阻值(英制)，当隔热材料厚度为50 mm时，R=7.4；F为墙壁及屋顶的散热面积，m2；a为温差修正系数；tn为室内计算温度；tw为室外计算温度。

地板夹层的基本传热量为：

Qj2=KF(tw-tn)a

(4)

式中，K为地板夹层的传热系数，W/m2℃；F为地板夹层的散热面积，m2。

玻璃窗的基本传热量为：

Qj3=KF(tw-tn)a

(5)

式中，K为玻璃窗的传热系数，W/m2℃；F为玻璃窗的散热面积，m2。

附加吸热量为：

Qf=Qj(bf-bli)a

(6)

式中，bf为风力修正系数；bli为墙壁修正系数；电气房的基本传热量Qj=Qj1+Qj2+Qj3；电气房内电气设备的发热量Q2；电气室的总吸热量Q=Qj+Qf+Q2；根据总吸热量选择空调的制冷功率。

4 结构计算

机器电气房的骨架一般采用门式钢架结构，H型钢架立柱与机器房底盘结构焊接在一起，底盘结构就是整个机器电气房的基础部分。门式钢架通常用于跨度9～36 m、柱距6 m、柱高4.5～9 m的机器房，屋面坡度宜取1/8～1/20。钢架横梁连接钢架立柱组成门式钢架，此种结构的稳定性、空间结构比较好，钢材用量少，制造简单，安装方便。

门式钢架结构设计主要计算永久荷载、可变荷载与偶然荷载的荷载组合。永久荷载包括外包压型板与保温层及覆盖扣板、檩条、墙架、钢架立柱、钢架横梁、维修行车轨道梁等部件的自重。可变荷载包括维修行车荷载、风荷载、雪荷载、屋面均布活荷载等。偶然荷载包括地震荷载和其他意外事故产生的荷载。在这些荷载中地震荷载一般对于地震多发震区才予以考虑，积雪荷载按FEM规范可以不予考虑，除非在特定地区用户有此要求[1]，屋面均布荷载一般取0.5 kPa。根据机器电气房的结构特性，钢结构计算通常只考虑强度和挠度计算，疲劳计算不予考虑。中级工作制桥式吊车受弯构件容许挠度不大于L/1 000，其中L为受弯构件的跨度。钢架立柱顶部位移不大于H/400，其中H为钢架立柱高度。

下面重点研究门式钢架的垂直风荷载计算。风力作用分为工作状态风和非工作状态风，假定风可以从任何方向以常速水平吹来，风载荷对机器房结构的作用是静态的。风的动压为：

q=0.613Vs2

(7)

式中，Vs为设计风速，m/s。卸船机的工作状态风一般为20 m/s,非工作状态风一般为55 m/s,个别地区为75 m/s。

卸船机机器房的结构风载荷为：

F=AqCf

(8)

式中，A为结构的有效迎风面积，m2；q为设计工况对应的风压，MPa；Cf为结构部分沿着风向的风力系数，通常机器房的壳结构风力系数为1.10。

钢架结构简图见图1，计算其仅受单侧风均布载荷下的内力[2]。

图1 钢架结构形式简图

刚架柱与刚架横梁的线性刚度系数k为：

k=Ib/ICh/s

(9)

式中，Ib为刚架横梁的平均截面惯性矩,cm4；IC为刚架柱的平均截面惯性矩,mm4；h为刚架柱高度，m;s为刚架横梁的长度，m。

综合系数N为：

N=(kh+f)2+4k(h2+hf+f2)

(10)

式中，f为刚架横梁坡高度，m。

竖直支座反力为：

V=-VA=VE=wh2/2lk/(3k+1)

(11)

式中，V为支座反力，kN；w为均布水平风载荷，kPa。

依据以上载荷分别计算A点、E点的水平支座反力和弯矩，B、C、D点的弯矩。其他双坡门式刚接钢架受力情况简图和计算公式参见《轻型钢结构设计指南》。采用塑性分析法确定内力时，对受弯构件的强度计算、稳定性计算按GB50017-2003《钢结构设计规范》进行[3]。钢架结构载荷内力简图见图2。

图2 载荷及内力简图

对维修行车的轨道梁、屋顶檩条、侧面墙架等可以按照受弯构件来计算，传统的计算公式较繁琐，可采用有限元计算更为简便。

5 底盘结构设计

采用差动减速箱的卸船机通常拥有两大传动机构，分别是起升开闭小车运行机构和俯仰机构。底盘一般会设计成密闭的箱体结构，在满足结构强度和刚度的前提下还要考虑箱体内部电缆托架的布置和电缆的走向。俯仰机构和起升开闭运行机构的运行作用力最终会通过机构底座传递至底盘结构上，机构底座的对筋十分重要，鉴于局部区域筋板密集度较高、空间狭小，要考虑焊接空间问题，设计时要分析哪些部位采用短筋和长筋，哪些部位需要形成箱体结构，尤其需要采用合理的焊接顺序来规避应力集中的问题，必要时在施工图纸的技术要求中清晰注明。底盘上表面板尽可能的多设置电缆槽盖便于穿线，尽量不布置电缆走线槽，使表面平整以免影响工作人员行走。液压管路和润滑管路集中布置，在设计布局时要考虑留有足够的检修空间。底盘结构一般会设置一大一小2个吊装孔，大吊装孔的开孔尺寸要满足最大检修件的吊装，机器房中整体最大件通常是减速箱和卷筒，开孔位置应考虑维修件从机器房到码头面的起吊过程中避免与钢结构发生干涉的情况；小吊装孔布置在两大机构的中间，主要作用是更换安装在运行小车上的改向滑轮。

底盘的整体布局见图3。电气房位于底盘的陆侧方向，电气房底盘高于机器房底盘上表面600～900 mm，两大运行机构布置在底盘的中轴线上，电梯井布置在底盘一侧靠近边墙位置，另一侧靠近边墙位置布置主、副变压器，高压开关柜，采用护网栏杆封闭，以免发生危险。如果开关柜布置位置太靠近门口，此处应设置挡雨墙。

1.PLC房 2.润滑泵站 3.起升开闭机构 4.电气房 5.排风扇 6.大吊装孔 7.主变压器 8.挡雨墙 9.进风扇 10.俯仰机构 11.小吊装孔 12.液压泵站 13.电梯 14.防护栏 15.副变压器 16.高压开关柜图3 机器房布置图

6 其他设计要点

机器房内部上方安装起升重量为10 t或12.5 t的桥架式维修行车一部，行车轨道安装在两侧结构立柱的轨道梁上，在电气房顶部或者电梯井顶部留有通往维修行车的维护通道。在海侧墙壁或陆侧开孔处安装防跳绳托辊组或者高分子抗磨块，在墙壁开孔处外侧设防雨防尘罩。机器房内部设置钳作台、备品柜及系列维修工具，铝合金人字梯等。在北方极冷地区可以采用2层密闭门的形式，更好地阻止冷空气进入电气房内。机器房屋顶设置一圈维护栏杆，卸船机的使用寿命一般为25～30年，外包波形板尤其是房顶每10年左右重新油漆维护一次，以免锈蚀漏雨。

电气房内部需要配置工业吸尘器，经常除尘以便减少灰尘对电气元件的影响。电气房内部要配置烟雾感应器，或自动感应灭火系统。在机器房和电气房的便利处布置手提式或者小车式灭火装置。电气房地板采用防火板，上面覆盖厚度4～6 mm绝缘等级10 kV以上的橡胶绝缘地毯。

在电气房的墙壁上根据情况设置玻璃窗以便观察机器房内部机构的运行情况。电气房内部留有足够的行走空间和电气柜开门空间。吸顶空调或者壁挂空调要设置冷凝水接水盘，通过管路导引到电气房外部。

7 结语

目前关于桥式抓斗卸船机的机器电气房设计的论述资料较少，通过对机器电气房的使用环境、结构功能的分析研究，在热量计算、结构计算、底盘结构设计等方面进行阐述，明确了机器电气房设计的每个环节，能够优化港机产品设计，同时也对码头的高效运行及安全生产起积极作用。