集装箱岸桥功能扩展改造液压矿石抓斗资料.docx
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集装箱岸桥功能扩展改造液压矿石抓斗资料
集装箱岸桥功能扩展改造
技术研究报告
一、技术方案论证
1、背景介绍
三突堤集装箱码头岸边集装箱设备额定起重量为65吨，外伸距为66米，吊具可以抓取双20英尺集装箱，工作性能稳定优良。
为适应新的散货船舶的装卸要求，充分的利用码头水深条件和设备资源，应集团公司生产需要，我们公司承接了集装箱岸桥接卸散货的功能扩展改造。
2、技术分析
a）、挂接抓斗类型的选型
抓斗按驱动方式大体分为两大类：
机械式抓斗和液压式抓斗。
我港散货（矿石、煤炭、粮食、化肥等）的装卸作业大都采用多用途门座式起重机挂接双绳机械抓斗来实现。
机械抓斗具有结构简洁，生产率高，能适应较为恶劣的作业环境，应用广泛。
通过支持钢丝绳和开闭钢丝绳实现开闭斗的动作，这就需要机械机构上能实现双机的同步和异步运行的功能。
而我们的集装箱装卸桥虽然起升系统是双机系统，但是从机械结构和电气控制只能实现双机同步，不具备挂接双绳机械抓斗的可行性。
另外，将集装箱岸桥改造成散货作业的模式在国内只有青岛港招商码头有过先例，我们在进行了调研考察之后，认为挂接液压式抓斗的改造方式是最为简洁的，电气控制的功能也较为容易实现。
b）、液压抓斗的动力提供
液压抓斗的动力来在于电机，由于液压抓取能力可达30吨。
因此，电机采用了55KW三相异步电动机，容量较大。
抓斗挂接在吊架下边，跟随小车系统运行，因此液压电机的动力提供只能来自小车架司机室。
小车架及司机室主要用电设备有：
吊具电缆卷盘电机2台、吊具油泵电机1台，空调、小车架投光灯、加热器等。
小车架司机室的动力来源是由一根4*35mm2的托令电缆从电气房经过托令电缆系统传输的，如果吊架上挂接55KW的液压抓斗电机，动力线容量需要扩容。
c）、吊具电缆的复合利用
我们对其他港口的设备状况进行调研，其改造主要是重新安装一套新的吊具电缆：
即从小车架到吊具上架重新布复合电缆，并且相应的增加一套电缆储缆系统。
在抓斗作业模式工况下，原来吊具模式的电缆卷盘装置废弃使用。
我们通过对我港吊具电缆系统的分析研究，认为安装重新安装一套吊具电缆（提供动力线与控制线的复合电缆）一是成本很高，二是安装的储缆系统稳定性能不如原来的变频储缆系统。
因此我们将原多芯吊具电缆进行改造，使其既能为液压电机提供三相380VAC的动力电，又能传输控制液压抓斗所需的控制信号。
d）、吊具模式与抓斗模式的快速切换
三突堤码头的岸桥接卸的货种不确定性，给我们的改造带来了极大的不便，由于我们是将吊具电缆改造成既传输动力信号又传输控制信号，那么系统在从抓斗模式切换到吊具模式需要对吊具上所有的控制线（56芯）逐芯归位，才能保证吊具工作状态正常化，因此在切换过程一方面耗时较长;另一方面，由于恢复的控制信号较多，如果接线错误会出现短路，烧损电气元件的现象。
鉴于以上方面的原因，我们认为如果两种工作模式的接口改造为两套插座，需要执行哪种模式的工况，将插头接入便可将极大的缩短系统的切换时间，提高系统的稳定可靠性能。
3、技术方案确定
通过对改造方案的可行性分析，我们确定了如下改造方案：
1）利用solidworks对液压抓斗进行实体设计。
确定合适的斗底板厚度，从而降低了斗的自重，提高了液压抓斗的抓取比；
2）斗体制作采用先进的生产工艺。
如数控下料CO2保护焊等先进设备、激光划线、整体镗孔等新工艺，降低焊接应力、减少焊接变形，保证焊缝质量及材料的强度、耐磨性提高，以达到设计要求；
3）采用性能稳定优良的正压液控技术，防止环境中的粉尘等污物进入油箱，保证液压系统的清洁度；
4）计算设备电气容量，设计电控改造的图纸；
5）司机室动力输出的扩容，增加小车架司机室的动力供给容量，敷设托令动力电缆；
6）小车架快速切换屏插座的制作安装；
7）小车架滑环箱的线路改造。
我们将此处制作一套插头系统，可以实现吊具系统与抓斗系统的快速切换。
8）控制程序的设计及调试。
二、技术特性
1、液压抓斗的设计
模模型结构图
1）设计参数
抓斗类型：
液压双颚瓣抓斗
斗容（m3）：
17.5m3
物料容重（t/m3）：
1.5t/m3
抓斗自重（kg）：
17000
油缸行程：
1300mm
电机功率：
55Kw（380V、55Hz）
闭合时间：
25s
张开时间：
13s
最大工作压力：
25～28MPa；
打开高度：
～4856mm
闭合高度：
～4850mm
打开宽度：
～4921mm
闭合宽度：
～4404mm
2）斗体形式及其尺寸确定
1）、抓斗的质量及抓取能力系数：
mG=Kz.Q=45000kg；（Q为起重机的起重量，Kz为抓斗自重系数）
2）、抓斗的自重分配：
颚板：
G=0.45×16600＝7470kg；
上承梁：
G=0.21×16600=3486kg；
下承梁：
G=0.18×16600=2988kg；
撑杆：
G=0.16×16600=2656kg；
3）、抓斗最大开度及斗体宽度
抓斗最大开度L=
＝4920mm
K4－为抓斗最大开度系数
斗体宽度B=
=
=3280mm
K3－为颚板宽度系数
4）、抓斗颚板的侧面尺寸：
抓斗颚板的侧面形状如右图所示，由ABCDEFGA所围成的图形是理论容积侧面，由ABCDFGA所围成的图形是实际容积侧面
抓斗颚板的侧面积按后者计算
S=V/2B=3.17m2
α为颚板底背角；β为物料滑移角；γ为底板侧背角；ρ为散货自然坡角。
2、电气系统改造要求
Ø线路要求：
a、需要3根动力线，提供55kw电机直接启动电源AC380V
b、控制线7根，分别用于：
（1）泵站2个电磁阀的通断3根
（2）到泵站油温信号2根
（3）到泵站空压信号2根
Ø控制要求：
a、具有电机启停控制系统
b、泵站2个电磁阀的通断控制。
控制电压：
AC220V
c、油泵温控：
达到设定温度，电机停止工作。
控制电压：
AC220V
d、空压信号：
达到设定压力，系统报警或显示。
控制电压：
AC220V
3、岸桥电控系统改造
根据以上的技术要求以及码头设备的整体参数及性能，我们对供电容量、传输线路的测算、双系统的切换、控制电路的保护及控制功能的实现等几个方面进行了分析。
（1）.功率计算
安装抓斗后，抓斗电机的动力提供取自小车架的司机室，为保证线路的安全稳定运行，我们需对改造后小车架供电能力进行测算，主要包括：
液压电机功率P1=55KW、吊具卷缆电机P2=7.5*2=15KW、小车架照明P3=1*4=4KW、空调，暖风机等其他用电设施P其他=2KW，功率提供共需为P总
P总=P1+P2+P3+P其他=76KW
根据电机电流计算公式，有I=P/（1.732×U×cosφ×η），效率取0.9，cosφ=0.85，计算所得电流为I需求=150A~160A左右，实际满负荷工作时的需求电流还会更大，电流值会在180A左右。
目前岸桥线路提供到小车架的动力电缆为4*35电缆，35平方毫米的电缆35℃时的安全载流量I提供=117A左右,即：
I提供＜I需求
显然，小车架的动力线满足不了正常工作的需要，需增设电缆以提高载流量。
我们选用增设一根3*35的动力电缆来解决，这样提供电流值在234A＞180A，满足设计要求且留有一定的工作余量。
（2）、吊具卷筒滑环容量计算
我公司吊具系统集改散的电控改造主要特点是充分利用吊具滑环箱传输抓斗电机运行所需的三相动力电源。
在吊具控制系统时主要作用是：
传输吊具系统的信号及为11KW吊具油泵电机提供电源。
但是如果换成55KW的抓斗电机，由于容量的增大，滑环的传输能力能否达到要求呢？
岸桥吊具滑环箱内每一铜环允许通过的电流I=20A,但是滑环内部的接线为1.5mm2规格，那么每一环的传输能力受到限制，因此每环的安全输送能力将会限制在14A以内，滑环箱内共有60环，因此我们出于电气安全的考虑，除去抓斗电机控制信号，将每13环合并为一相，为抓斗电机提供电源。
因此：
I单相=14*13=182A
该电流值能够满足抓斗电机在正常满负荷状态下的电源需求，并且留有安全余量。
（3）、吊具与抓斗模式快速切换系统设计
快速切换系统的设计目的：
为了实现吊具模式与抓斗模式的两种工况的迅速切换，有效降低工作强度，大大提高了工作效率。
我们了解到其他已进行该项功能改造的码头，要实现吊具与抓斗模式的切换，需要工程技术人员进行电气线路的处理近2至3小时，我们通过整机安装3处快速接头的方法可实现双系统的迅速切换，时间将控制在5分钟以内。
功能实现：
在小车架上安装模式快速切换插座屏。
插座屏上提供两个插座，分别是吊具模式插座和抓斗模式插座。
我们将吊具滑环箱原吊具系统的信号线全部拆除后，重新接到ODU插座上去，所有信号线的顺序与滑环箱内部相对应，这样当ODU插头插接到插座上即实现吊具模式；抓斗模式插座的电源线取自司机室CA9，从司机室到插座屏的电缆为3*50电缆线，为与ODU插座连接，实现通过吊具电缆提供动力电源的目的，我们将通过一条吊具电缆线（56*2.5）从而实现三相动力线与ODU插座的有效连接。
（4）、快速插头及插座的制作。
快速插头及插座的选型是改造的关键点，其电气连接性能直接关系到改造的效果，我们选用ODU吊具专用插头插座，确保电气连接的性能。
每台设备改造需1个插头3个插座。
在抓斗模式下，多芯电缆为动力提供电缆，因此我们采用多芯电缆并行使用，即13芯合并为一相提供电源，2.5平方毫米的电缆载流量为18A,13芯并用提供的电流值为：
I=13*18A=234A＞110A满足电机运行电流需求。
抓斗模式的插座制作都采用一端焊接多芯线，另一端合并外接动力电缆的形式。
插座的内部接线充分考略吊具滑环箱动力线的三相分布，避免滑环箱内部的三相电源的相间隔离，确保电气安全。
（5）、控制信号的处理。
控制回路增加抓斗模式选择、开闭斗手柄的选择安装、开闭斗信号的采集、抓斗液压系统温控信号的处理、抓斗电机接触器控制继电器、热继报警等控制线等输入输出信号的处理。
下面图一、图二为控制线路图
（图一）
（图二）
我们在设计控制回路时为了方便司机操作，将左手控制台控制导板的手柄来实现抓斗的开闭动作。
利用司机室远程输入输出模块的冗余点，采集抓斗模式下的保护信号进入整机的PLC控制系统。
（6）、软件控制程序
软件程序主要包括新的抓斗控制程序的编写，控制模式的切换、相关输入输出信号的屏蔽处理、故障信号的检测及报警功能，岸梁保护数值的重新标定等。
程序的主要控制逻辑如下图所示：
（图三）
（图四）
逻辑程序主要有以下特点：
✧设置司机室操作台旋钮设置抓斗模式选择开关，挂接抓斗进行散货作业时，需将模式选择正确。
✧司机室合控制后方能控制抓斗电机的启动。
这样设计程序避免了其他操作站合控制时抓斗电机自动启动，保证检修及作业安全。
✧抓斗模式在程序中对起升、小车、大车机构的速度控制与吊钩模式一致，起升速度限制，小车与大车机构保持不变。
由于抓斗的连接为链条软连接，上架与抓斗的间距较小，起升机构在全速的运行过程中从全速到制动的过程滑行距离较大，极容易造成机械碰撞，造成抓斗或是上架的损坏变形，因此我们将抓斗作业也定义为吊钩的运行模式，这样有效的避免以上问题。
三、总体性能指标
我们通过对岸桥功能扩展的改造，实现了集装箱岸桥直接挂接液压抓斗进行散货作业的功能，总体性能有如下特点：
1）、满足55KW液压抓斗电机的功率需求，控制抓斗开闭的信号及液压系统相关保护功能完善。
2）、作业货种类型多样。
改造后除了能进行集装箱作业外，岸桥能进行矿石、粮食、煤炭等散货作业。
3）、作业效率高。
设计使用的液压双颚瓣抓斗斗容为17.5m3,改造后根据目前司机的作业数据统计，每昼夜散货的作业量可达0.7万吨/台。
4）、集装箱吊具模式与散货作业模式可进行双系统的快速切换。
通过快速插头的模式，除了改动几个控制信号线，即可通过插头的对接实现系统切换，灵活快捷。
5）、投入成本低，改造周期短，取得的经济效益显著，设备改造的投资收益率超η>10。
6）、系统改造后，性能稳定，可靠性高。
对抓斗电机采用智能电机监测系统，防止过流，缺相的现象发生，这样保证了整机电控系统的安全和稳定。
四、技术的创新性及先进性
岸桥功能扩展改造是我们课题研发小组，根据公司的实际需要进行的创新研发，应用到实际工作中的典型实例。
1、抓斗的设计制作采用新材料、新工艺。
铰点轴套采用高强度耐磨材料（ZGMn13），降低了重量，延长了使用寿命，减少了维修保养；利用solidworks对斗底板进行实体设计，确定合适的斗底板厚度，从而降低了斗的自重，提高了抓取比。
2、吊具电缆进行复合利用。
在散货抓斗模式下传输电机的动力信号及控制信号，在集装箱吊具模式下，传输吊具的控制信号。
3、设计了快速更换系统，通过多芯插头实现了两套系统的快速切换，大大的缩短切换时间，并且保证了系统切换的可靠性。
4、抓斗液压油箱的全封闭设计开创了国内领先，实现了不间断运转不用滤油、换油，节省了维修时间和更换费用。
5、整个电气控制系统完全由我们的技术人员自行设计施工，提高了技术队伍的发现问题、分析问题、解决问题的能力，开阔了整个技术队伍创新思路。
五、推广应用的条件和前景
推广应用的条件
目前，我们公司已对三突堤码头的4台岸桥进行了功能扩展改造，改造周期短，改造后系统稳定，此项改造主要应用于扩展集装箱岸桥的装卸功能，通过挂接液压抓斗的模式实现散杂货装卸作业。
推广应用的前景
第一、该项改造充分利用了吊具电缆变频控制系统，我们改变了吊具电缆传输信号的性能，保持了吊具电缆在起升机构的动作过程中的工况，改造简洁稳定。
第二、岸桥功能扩展改造使岸桥具备了散货作业的功能，扩展了我们岸边设备的作业货种，实现了岸桥即可进行集装箱装卸，也可进行散杂货装卸。
第三、快速插头的设计，实现了集装箱吊具模式与散货抓斗模式的快速切换，工作环境适应性强。
第四、系统中液压抓斗设计为中梁油箱集成的结构。
液压系统为可调的全密封正压系统，有效地解决了抓斗使用粉尘污染，抓斗工作更持续可靠。
此项设计制作填补了我港抓斗领域内双瓣大吨位液压抓斗的空白。
第五、系统改造投资成本低，改造周期短，将闲置的设备进行功能扩展，取得明显的经济效益。
第六、新系统的开发和改造，激发了广大职工将新技术应用到实际生产工作的热忱，取得良好的社会效益。
第七、系统的稳定性好，可靠性高，适用于岸桥挂接抓斗进行散货作业的工况，也可为岸桥功能扩展等其他相关改造提供有益的借鉴。
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