港口機(jī)械上的整體仿真解決方案

一、前言

本文旨在探討仿真分析在港口機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用，為港口機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)維提供整體解決方案，以應(yīng)對(duì)港口機(jī)械在實(shí)際作業(yè)中出現(xiàn)的各類問題。

二、應(yīng)用背景

（一）集裝箱港口

主要設(shè)備：岸邊集裝箱起重機(jī)（岸橋）。

常見問題：機(jī)械結(jié)構(gòu)承力不足，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生裂縫；液壓系統(tǒng)及制動(dòng)力方面經(jīng)常出現(xiàn)一定的質(zhì)量問題；在役岸橋鋼結(jié)構(gòu)連接焊縫銹蝕問題；在役岸橋前大梁拉桿及鋼繩強(qiáng)度問題；整機(jī)及鋼纜的強(qiáng)度負(fù)載分析、疲勞分析等。

（二）散料港口

常見設(shè)備：螺旋卸船機(jī)、抓斗卸船機(jī)、埋刮板卸船機(jī)、鏈斗卸船機(jī)。

常見問題：設(shè)備提升過載（取料過載、物料堵塞）；襯板脫落（設(shè)備磨損嚴(yán)重）；軸承發(fā)熱（電機(jī)功率過載）；鏈條、板型變形 / 斷裂；功率和取料量之間的關(guān)系，連接部位的疲勞強(qiáng)度等。

三、CAE 整體解決方案及設(shè)備應(yīng)用案例

（一）整體仿真分析方案

包括工作中鋼架受力分析、鋼索模型、結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析、鋼索拖斗建模、支座及行走結(jié)構(gòu)分析、物料被拖動(dòng)仿真等。

（二）具體設(shè)備應(yīng)用案例（抓斗卸船機(jī)）

1.抓斗取料分析：涉及取料量分析、取料卸料狀態(tài)分析、避免物料外溢、閉合功率分析（電液仿真）、取料 / 卸料連桿受力分析、抓斗磨損分析等。通過對(duì)不同物料取料狀態(tài)和取料量的分析，確定抓斗的效率和卸料時(shí)間，并在設(shè)計(jì)早期通過多次迭代找到改進(jìn)方向。

2. 取料應(yīng)力分析：隨取料作業(yè)，分析連桿的應(yīng)力及強(qiáng)度變化，不同物料取料時(shí)應(yīng)力集中區(qū)域及應(yīng)力最大位置，進(jìn)行連桿強(qiáng)度分析和開合疲勞分析。

3. 扭矩應(yīng)力分析：分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)受力、曲柄扭矩、纜繩受力、抓斗斗體受力（開合電液強(qiáng)度）等。

4.強(qiáng)度分析（鋼纜模型）：模擬在吊裝時(shí)的實(shí)際狀態(tài)，在各種負(fù)載條件下測(cè)試機(jī)器，評(píng)估工作能力和可行性，分析自動(dòng)臂（伸縮）/ 旋轉(zhuǎn)臂的受力以及鋼纜的受力等。

5.懸臂（剛架構(gòu)）強(qiáng)度分析：進(jìn)行強(qiáng)度分析、應(yīng)力分析，拓?fù)鋬?yōu)化、輕量化設(shè)計(jì)，考慮環(huán)境（風(fēng)）對(duì)懸臂作業(yè)擺臂的影響以減小風(fēng)阻，分別分析非作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)下的情況。

6. 結(jié)構(gòu)件的疲勞分析：分析對(duì)象包括連接件及運(yùn)動(dòng)件、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、行走結(jié)構(gòu)、葫蘆、吊鉤、鋼纜、滑輪等。

7. 焊縫疲勞分析：采用 Volve 分析方法，支持填縫焊、拼接焊等，可評(píng)估焊趾、焊根、焊喉處損傷，采用純彎、純拉壓的疲勞 SN 曲線（壓彎、垂直力下的疲勞）；通過對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞分析，避免高強(qiáng)度工況下產(chǎn)生過載，得到精細(xì)致的維護(hù)周期。

8. 行走軌道強(qiáng)度分析：建立運(yùn)動(dòng)軌道（曲軌）有限元模型，分析最大形變量和米塞斯應(yīng)力、應(yīng)力安全系數(shù)，以及是否滿足特定工況下的強(qiáng)度要求（特定荷載下）等，還有行走作業(yè)曲軌位移云圖和應(yīng)力云圖可供參考。

9. 磨損分析：能更加精準(zhǔn)地定義磨損位置，更加清晰地輸出磨損產(chǎn)生的效果，更加精確地預(yù)測(cè)設(shè)備在磨蝕效果下的使用壽命。

四、其它應(yīng)用案例

· 螺旋卸船機(jī)：分析螺旋轉(zhuǎn)速、物料填充率對(duì)卸船效率的影響；螺旋間距的大小、間距對(duì)取料效率的影響；物料種類、顆粒大小與螺旋轉(zhuǎn)速的搭配；進(jìn)行轉(zhuǎn)軸扭矩分析以及中心轉(zhuǎn)軸與筒壁內(nèi)側(cè)的磨損分析、中心轉(zhuǎn)軸的自身疲勞和應(yīng)力分析等。

· 刮板卸船機(jī)：對(duì)刮板進(jìn)行磨損、強(qiáng)度分析及優(yōu)化；分析刮板大小、形狀、間距對(duì)取料效率的影響；分析刮板運(yùn)動(dòng)速度與物料的堆積量對(duì)卸船效率的影響；分析進(jìn)料口形狀、大小、角度對(duì)卸船效率的影響；進(jìn)行鏈條的強(qiáng)度分析和扭矩功率分析等。

· 鏈斗卸船機(jī)：對(duì)鏈斗進(jìn)行磨損、強(qiáng)度分析及優(yōu)化；分析鏈斗大小、形狀、間距對(duì)取料效率的影響；分析鏈斗運(yùn)動(dòng)速度與物料的堆積量對(duì)卸船效率的影響等。

· 料倉卸料分析：分析料倉卸料口的大小、結(jié)構(gòu)對(duì)卸料效率的影響；進(jìn)行料倉的磨損、壽命分析；分析料倉卸料時(shí)物料的堆積情況，是否會(huì)出現(xiàn)拱形結(jié)構(gòu)等，包括卸料至箕斗和卸料至集裝箱的情況。

· 移動(dòng)式起重機(jī)（爪）：分析抓斗應(yīng)力、強(qiáng)度、抓取情況；進(jìn)行液壓系統(tǒng)的機(jī)電液聯(lián)合仿真分析；對(duì)連接件、結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、疲勞分析及優(yōu)化；分析履帶接地長度、履帶接地比壓和滑轉(zhuǎn)率隨切土深度的變化規(guī)律；進(jìn)行整機(jī)的質(zhì)心分析布置和輕量化設(shè)計(jì)等。

· 門式起重機(jī)：對(duì)抓手和鋼索進(jìn)行應(yīng)力、強(qiáng)度分析；分析抓斗抓取能力與液壓系統(tǒng)之間的配合；進(jìn)行行走軌道的強(qiáng)度分析；對(duì)滑輪、連接件等進(jìn)行強(qiáng)度分析；對(duì)橫架梁在工作狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力、強(qiáng)度分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)等。

五、總結(jié)

通過 CAE 的整機(jī)建模方式，對(duì)港機(jī)設(shè)備進(jìn)行整體的性能評(píng)估，更加真實(shí)和科學(xué)。

在設(shè)計(jì)和制造初期就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備作業(yè)狀況的良好預(yù)估。

為設(shè)計(jì)和制造提供良好的設(shè)計(jì)方法，規(guī)避基本設(shè)計(jì)缺陷。

改善國內(nèi)設(shè)計(jì)流程，為研發(fā)國產(chǎn)大功率穩(wěn)定卸船機(jī)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

科學(xué)地評(píng)估設(shè)備的磨損、疲勞等損耗，在降低成本的同時(shí)增加設(shè)備使用的安全性；可視化的仿真數(shù)據(jù)支持，增加說服力。