带斗门座起重机非线性变幅速度的卸船生产率影响

肖利涛 王昭胜

青岛海西重机有限责任公司 青岛 266530

0 引言

当前，水运市场越来越受到物流行业的青睐，运输船在码头上长时间的滞留严重影响船运的畅通性，滞留时间加长会影响货物的运输成本。影响运输船在码头上滞留时间的主要因素是码头装卸设备的卸船生产效率。

散货码头上设有各种装卸设备，带斗门座起重机（以下简称带斗门机）作为一种介于卸船机和普通门座起重机（以下简称门机）之间的设备，其专用性不同于卸船机，具有灵活多用途的特征。同时相较于普通门机，带斗门机作业效率高出很多，故在散货码头上应用愈发广泛。

1 研究目的

带斗门机回转以上部分与普通门机设计完全一致，回转以下部分设有卸料系统、输送系统等卸料装置。带斗门机的臂架架构形式决定变幅装置不能使物品的水平变幅速度均匀，大多数变幅装置的水平速度在最小幅度时为最大，而在最大幅度时则最小[1]。尤其是在小幅度范围内，速度比平均速度快。在带斗门机装卸效率计算时，均以平均速度进行效率计算，然而臂架头部吊点的变幅速度随着工作幅度的变化呈现非线性变化的趋势[1]，最大水平速度与最小水平速度甚至可达到2 倍的关系，实际卸船生产率与理论生产率存在差别，这对设备的选型和业主对效率的要求有较大的影响。因此，根据研究实际速度计算门机的卸船生产率，对散货码头采购设备参数的选择具有十分重要的现实意义。

2 带斗门机作业效率

带斗门机作业效率主要是指单位时间内装卸货物的数量。目前，尚无相关国家规范、标准规定带斗门机的作业考核工况，一般情况下根据合同要求完成数次完整的抓取循环，测量总抓取量和循环总时间，取其算术平均值作为计算额定生产能力用的一次抓取量q/t 和一次循环时间t/s，额定生产能力为[3]

专业卸船机的作业循环以港口平均水位、船舶满载吃水、型深一半、舱口中间位置作为计算工况。以抓斗抓取货物开始，经过抓斗闭合、抓斗起升、变幅运行（满斗运行）、抓斗开斗、变幅运行（空斗运行）、抓斗下降等过程，考虑机构转换过程中必要的时间间隔，作为一个完整的作业循环过程。

带斗门机生产率参考卸船机的计算方法，散货船在港口平均水位、满载吃水、形深一半、舱口中间位置作为计算工况，从船舱中间开始抓取物料至漏斗上方卸料并返回船舱的作为一个循环过程（见图1）。

图1 带斗门机生产率计算简图

3 变幅速度水平速度

当门机臂架摆动变幅时，象鼻梁端点水平移动速度不能相差过大，变幅装置的水平变幅速度在最小幅度位置时为最大，在最大幅度位置时最小，尤其在小幅度范围内，由于速度加快，对装卸和安装工作很不利。因此，提出相应的要求，一般控制在Vmax/Vmin＝1.2 ～1.6，个别情况Vmax/Vmin≤3.2[2]。

在计算臂架系统象鼻梁头部水平速度时，一般采用速度瞬心计算法[4]。整个臂架系统绕臂架下铰点旋转，根据齿条线速度计算出臂架在每个幅度下的实际角速度，根据臂架实际角速度计算出象鼻梁与臂架铰点的线速度，根据大拉杆和臂架结构轴线铰点计算出象鼻梁结构的瞬心，通过瞬心到象鼻梁与臂架结构铰点的距离和瞬心到象鼻梁头部的距离计算出象鼻梁头部在每个幅度下的实际线速度。最后根据象鼻梁头部实际线速度的方向转换成象鼻梁头部水平速度[5]。变幅速度水平速度的计算模型如图2 所示。

图2 变幅水平速度计算模型图

4 分析计算

4.1 计算条件

以MQ4045 带斗门机作业为例，计算变幅速度对作业效率的影响，起重机额定起重量为40 t（抓斗），最大工作幅度为45 m，最小工作幅度为12 m，轨面以上起升高度为25 m（抓斗），轨面以下起升高度为19 m（抓斗），使用抓斗情况下机构起升速度为80 m/min，空载情况下机构起升速度为120 m/min，变幅速度为80 m/min，抓斗起升加速时间为2.5 s，抓斗起升减速时间为2.5 s，变幅运行加速时间为3 s，变幅运行减速时间为3 s。漏斗上口高度H1为23 m，漏斗中心到海侧轨道距离S1为2 m，漏斗边缘到漏斗中心距离S2为7 m，海侧轨道中心至护弦的水平距离S3为4.5 m，码头标高WH1为6 m，高水位WH2为4.05 m，低水位为WH3为0.62 m，形宽B 为40.3 m，仓口宽度C 为18.8 m，船体深D 为20.3 m，船体总高H 为22.4 m，满载吃水深d 为14.5 m，空载吃水深dL为4.7 m。

4.2 变幅速度计算

根据瞬心计算法计算象鼻梁头部水平速度[4]。变幅机构齿条运行线速度为恒定速度V，将变幅机构齿条运行线速度V 在四连杆臂架系统不同幅度下折算为垂直臂架结构的速度Vy，计算出臂架结构不同幅度下的运行角速度ω。由臂架结构和大拉杆找出不同幅度下臂架系统的瞬心，再计算出象鼻梁头部的速度Vf，折算成水平速度Vfx。将带斗门机参数进行计算，得出表1 所示各幅度速度值。

表1 MQ4045 带斗门机各幅度变幅速度

计算船型以70 000 t 和100 000 t 船型分别进行计算对比平均速度和实际速度生产率计算差别，船型参数见表2。

4.3 均速变幅效率计算

在同样的MQ4045 门机条件下，针对100 000 dwt船型和70 000 dwt 船型分别按照均速和实际速度进行效率计算，对比实际速度对效率的影响。

1）100 000 dwt 效率计算

按照带斗门机整个幅度平均速度进行卸船作业效率计算，由于在带斗门机中为了提高效率，对准舱位后无需旋转。因此，只考虑起升和变幅，分别计算起升、变幅行程，从而计算出所需时间。

已知闭斗行程为12.3 m，时间为11.73 s；满载起升距离为27.29 m，时间为22.96 s；变幅幅度为22.65 m，时间为19.99 s。开斗行程为12.3 m，时间为9.38 s；空载下降距离为27.29 m，时间为16.14 s；变幅幅度为22.65 m，时间为19.99 s。

以时间最短的工作轨迹抓斗出舱后即可边提升边变幅；空斗下降时离开漏斗上方即进行下降增幅。通过以上起升、变幅时间及行程计算分析得出图3 所示循环时间图。

由图3 可知，一个工作循环总时间为78.66 s。

图3 带斗门机循环时间图

抓斗抓满一次抓煤量为24.5 t （ 抓斗自重为15.5 t），故生产率为

式中：T 为一个工作循环时间，P 为装卸生产率，0.95 为抓斗充满率，G 为每斗物料的质量。

2）50 000 dwt 效率计算

已知闭斗行程为12.3 m，时间为11.73 s；满载起升距离为27.29 m，时间为22.96 s；变幅幅度为18.35 m，时间为19.99 s。开斗行程为12.3 m，时间为9.38 s；空载下降距离为27.29 m，时间为16.14 s；变幅幅度为18.35 m，时间为19.99 s。

以时间最短的工作轨迹抓斗出舱后即可边提升边变幅；空斗下降时离开漏斗上方即进行下降增幅。通过以上起升、变幅时间及行程计算分析，得出图4 所示循环时间图。

图4 带斗门机循环时间图

由图4 可知，一个工作循环总时间为75.71 s。抓斗抓满一次抓煤量为24.5 t （ 抓斗自重为15.5 t），故生产率为P ＝1 107 t/h。

4.4 实际速度装卸效率计算

1）1 000 00 dwt 效率计算

已知闭斗行程为12.3 m，时间为11.73 s；满载起升距离为27.29 m，时间为22.96 s；变幅幅度为25 m，时间为19.04 s；开斗行程为12.3 m，时间为9.38 s；空载下降距离为27.29 m，时间为16.14 s；变幅幅度为25 m，时间为19.04 s。

通过计算分析得出图5 所示循环时间图。由图5 可知，一个工作循环总时间为76.04 s。抓斗抓满一次抓煤量为24.5 t（抓斗自重为15.5 t），故生产率为P ＝1 102 t/h。

图5 带斗门机循环时间图

2）50 000 dwt 效率计算

已知闭斗行程为12.3 m，时间为11.73 s；满载起升距离为27.29 m，时间为22.96 s；变幅幅度为18.35 m，时间为15.18 s；开斗行程为12.3 m，时间为9.38 s；空载下降距离为27.29 m，时间为16.14 s；变幅幅度为18.35 m，时间为15.18 s。

以时间最短的工作轨迹抓斗出舱后即可边提升边变幅；空斗下降时离开漏斗上方即进行下降增幅。通过以上起升、变幅时间及行程计算分析得出图6 所示循环时间图。

由图6 可知，一个工作循环总时间为72.37 s。抓斗抓满一次抓煤量为24.5 t （ 抓斗自重为15.5 t），故生产率为P ＝1 158 t/h。

图6 带斗门机循环时间图

4.5 结果对比

从2 种计算方式来看，以变幅机构实际运行速度进行生产效率计算比用平均速度计算生产效率要高，但差别有限。主要影响在变幅机构在小幅度时，抓斗在漏斗上方，部分时间会有压缩。其他幅度上变幅速度有的比平均速度小，有的比平均速度大，整体差别不大。总体而言，实际速度计算的生产率比平均速度计算的生产率高3%～5%，如表3 所示。

表3 效率对比表

5 结语

计算生产效率是一个理想的循环，计算得出的是计算额定生产率。在业主作业考核时，生产率一般比额定生产率有一定的富余量。在实际卸船作业时，除距离门机设备的一半船舱外，还需要卸远离门机设备的一半船舱。作业远离门机设备的一半船舱时，实际速度作业效率要低于平均速度作业效率，总体而言平均作业效率以平均速度核算比较合理。