张 楠

秦皇岛港股份有限公司杂货港务分公司

1 引言

随着进出口贸易不断增加,近年来粮食的进口量呈逐年增长的态势,提高装卸效率,加快船舶周转,节能增效成为当务之急。散粮装卸主要通过门座起重机(以下简称门机)完成,抓斗是散货装卸船作业时常用的装卸工属具,其中双颚抓斗使用最多。散粮颗粒小、流动性强,在实际装卸生产中发现,起重机抓斗存在2个较为明显的问题:一是抓取物料时漏料问题严重,普通双颚抓斗通过2个斗瓣的开闭动作来抓取货物,装卸过程中,物料极易顺缝隙及上沿漏出;在抓斗出船舱转运过程中,抓斗的运动加速度改变,使洒漏现象更为严重,造成了物料损失,增加了生产成本;二是传统抓斗设计自重较大,散货码头使用的传统16 t两瓣抓斗自重约为7.0～7.3 t,其作业效率固定不变,无法满足未来港口作业的发展新需求。为了提高作业效率,实现节能减排,使用轻型抓斗将是港口作业的趋势。

为此研发防漏抓斗以提高抓取比和抑制洒漏扬尘。提高抓取比,需从抓斗结构与材料入手,降低抓斗自重,保障使用强度,实现最大抓取量。减少洒漏并抑制扬尘,需从抓斗的结构与密封性入手,在保障抓斗正常开闭的情况下,实现更好的防漏性能。

2 技术分析与设计

2.1 技术分析

由现场使用经验可知,单纯提高抓取比或提高封闭性能,都不能达到很好优化效果。如果物料不能通过抓斗上口及时溢出,势必会在抓斗内产生挤压,最后导致抓斗不能有效闭合,而出现新的洒漏点。因此,提高抓斗的抓取比和封闭性能需要协调考虑。

通过多次抓取试验分析,得出抓斗的结构是影响抓取效果的主要原因。对抓斗结构的关键部位进行了初步确认:一是底板与盖板的连接部位;二是底板与侧板的连接部位;三是底板内部筋板与底板的连接部位。以上3个部位对物料的流动影响大,需要优化改进,进行流线型设计或圆角处理,在保障抓斗结构强度的前提下,减少对物料的阻力。

2.2 优化设计

根据技术分析,从斗体、底板以及重量分布等方面对抓斗进行优化设计(见图1)。

1.上横梁 2.下横梁 3.撑杆 4.斗瓣图1 抓斗优化设计图

(1)斗体优化设计。根据抓斗开闭方向,合理优化设计斗体的结构尺寸及长宽高的比例。在加大撑杆上铰轴中心距的同时,相应增加撑杆下铰点的中心距,同时加大斗体尺寸,使其在斗瓣打开后的抓取物料面积也相应增大。

(2)底板优化设计。在斗体底板的设计中,将底板靠近底刃口的前端直线段尺寸加长,在抓取物料时,斗瓣打开到最大角度后插入物料的深度增大,在抓斗闭合过程中抓取物料更加饱满。斗体底板后部圆弧部分的半径加大,减小物料的流动阻力,提高物料流动速度,更快达到满载效果。

(3)重量分布优化设计。在设计抓斗结构分布情况时,为了提高抓取物料的下压力,计划增加斗体重量比例,减少下承梁重量。因为在抓斗闭合过程中,下承梁作为提升机构,对起重机做功起到负载荷效果;通过将其钢制滑轮更换为尼龙滑轮后,可大大减少下承梁的自重,从而将对应的载荷转移至增加的物料重量上,达到提高抓取比的效果。

利用三维软件设计轻型防漏抓斗模型,实现高效设计,并获得准确数据。通过不断地调整撑杆同步器、撑杆角度、撑杆上铰点孔中心距离、斗体斗沿和斗容设计等重要参数,以获得最合理的参数。基于软件建立轻型防漏抓斗及装置的三维模型,模拟抓斗斗瓣的打开闭合过程,避免调整后的防漏料结构与抓斗本体产生干涉,确定最终的设计模型(见图2)。

1.上横梁 2.撑杆 3.下横梁 4.小斗瓣 5.大斗瓣图2 抓斗三维设计图

3 仿真分析

3.1 参数选取

在仿真试验开始之前,要先确定材料属性以及模拟过程的相关参数,才可以保证后续仿真顺利进行,主要参数设置如下。

3.1.1 材料参数

普通钢和大豆的材料参数见表1,其中普通钢材料参数均通过查阅文献得到;大豆密度取试验测量的平均值,泊松比通过查阅文献得到,剪切模量通过相关计算公式获得。

表1 材料主要参数

剪切模量是指材料在剪切应力作用下,切应力与切应变的比值,用字母G表示。剪切模量大小可以用来衡量材料抵抗切应变的能力,其值越大则刚性越强。弹性模量E、剪切模量G和泊松比V三个弹性常数之间的关系式为:

(1)

式中,E+、V+是受拉的弹性模量和泊松比;E-、V-是受压的弹性模量和泊松比。若为经典的弹性材料,有E+=E-=E、V+=V-=V。则式(1)可简化为:

(2)

由于大豆种子做拉伸试验比较困难,故假设其为经典弹性材料,弹性模量取含水量13%时的平均值59.6 MPa。将E和V代入可得G=21.28 MPa。

3.1.2 接触参数

查阅相关参数标定实验文献可得大豆与大豆、大豆与钢的接触参数。其中滚动摩擦系数的选取原则如下:在颗粒滚动不是占据明显运动形式的模型里,滚动摩擦系数一般可以忽略不计,保持默认值即可;如果进行颗粒堆积模拟,则不能忽略滚动摩擦系数。本次仿真中,滚动摩擦系数选取为0.01。由于仿真模型为对称模型,抓斗内的大豆会与物料槽直接接触产生摩擦,因此,要尽量减小大豆与物料槽摩擦参数,以避免摩擦力对仿真结果的影响。

3.2 建立模型

由于大豆的体积非常小,要想完全模拟真实条件下的抓取状态,需要生成大量的大豆颗粒,这大大增加了计算机的计算时间和存储空间。在不影响仿真结果的基础上,根据抓斗的几何形状特征,可将抓斗截取为对称模型(见图3)。

图3 抓斗对称模型图

本次选用大豆进行仿真模拟,大豆为椭圆形状,设置长轴尺寸为10 mm,短轴尺寸为6 mm。在仿真当中,默认的物料颗粒性状是圆球形,但可以通过球体颗粒数量及尺寸的不同变化,组合构成较为符合实际的物料颗粒。为了能够更加接近大豆颗粒的形状,采用球体来构造近似的颗粒形状,球体直径为6 mm(见图4)。

图4 大豆颗粒模型图

3.3 受力分析计算

抓斗做闭合提升动作时,仅闭合钢丝绳作业,当抓斗的起重量达到其额定重量16 t时,单根闭合钢丝绳的起重重量为8 t。受滑轮组结构的影响,2根钢丝绳给予上横梁向下的拉力,并通过上横梁、抓斗撑杆传递至抓斗斗瓣。在计算斗瓣闭合转矩时需要将该作用力的作用点平移至斗瓣上,即抓斗撑杆与斗瓣的铰接孔中心处。斗瓣旋转中心与该铰接孔的中心的距离为1 720 mm,当抓斗完全张开后该中心距投影至垂直于作用力方向上的长度变为995 mm,在抓斗闭合过程中,2个旋转中心会在某一时刻处于同一水平位置,投影长度为1 720 mm,当抓斗完全闭合后该中心距的投影长度变为1 408 mm时,在抓斗闭合过程中作用力的变化情况为不断增大,力臂的变化情况为小-大-小。按照抓斗闭合后的满载工况进行闭合力矩计算。

当抓斗满载时,上横梁通过抓斗撑杆作用到单个斗瓣上的力为78 400 N,单个斗瓣的闭合力矩为110 387.2 Nm。大斗瓣的宽度为3 170 mm,在仿真模型中,截取后的斗瓣的宽度为300 mm,仿真所得闭合力矩的大小为10 446.74 Nm,该模型的闭合力矩满足使用要求。

4 技术创新

研发的轻型防漏抓斗技术创新点主要体现在以下两方面。

(1)自重轻,抓取比大。抓斗自重小,由原来的7 t降低到现在的4.8 t;抓取比由原来的1.3提高到现在的2.3。轴承采用MC尼龙滑轮,自润滑、重量轻、耐磨、拆装便捷。滑轮组采用高强度耐磨轻型滑轮,在保障耐磨性的同时,减少抓斗自重。

(2)防洒漏,抑制扬尘。斗体采用流线型和圆弧设计,减小物料阻力,保障抓斗正常闭合。斗体封闭程度高,顶部预留空隙。满负荷作业时,物料接近顶部空隙但不溢出,在保障抓取量的同时能有效避免物料溢出洒漏或扬尘。底部刃口板采用水平上下重合式结构,其重合长度大于物料的安息角长度,在长时间使用后即使出现磨损也不会出现漏料情况,防漏效果好。侧刃口板采用T型结构防漏齿交叉密封方式,T型齿采用梭形设计,结构强度高,不易变形、多方向不易洒漏,防漏效果好。

5 结语

轻型散粮防漏抓斗可提高卸料生产效率,减轻劳动强度,减少物料泄漏及损失,改善环境。该抓斗的成功研发应用,为针对流动性较好物料的卸料提供技术支撑。