港口機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械領域的應用，為港口機械的設計、制造及運維提供整體解決方案，以應對港口機械在實際作業中出現的各類問題。

二、應用背景

（一）集裝箱港口

主要設備：岸邊集裝箱起重機（岸橋）。

常見問題：機械結構承力不足，導致設備產生裂縫；液壓系統及制動力方面經常出現一定的質量問題；在役岸橋鋼結構連接焊縫銹蝕問題；在役岸橋前大梁拉桿及鋼繩強度問題；整機及鋼纜的強度負載分析、疲勞分析等。

（二）散料港口

常見設備：螺旋卸船機、抓斗卸船機、埋刮板卸船機、鏈斗卸船機。

常見問題：設備提升過載（取料過載、物料堵塞）；襯板脫落（設備磨損嚴重）；軸承發熱（電機功率過載）；鏈條、板型變形 / 斷裂；功率和取料量之間的關系，連接部位的疲勞強度等。

三、CAE 整體解決方案及設備應用案例

（一）整體仿真分析方案

包括工作中鋼架受力分析、鋼索模型、結構靜強度分析、鋼索拖斗建模、支座及行走結構分析、物料被拖動仿真等。

（二）具體設備應用案例（抓斗卸船機）

1.抓斗取料分析：涉及取料量分析、取料卸料狀態分析、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。通過對不同物料取料狀態和取料量的分析，確定抓斗的效率和卸料時間，并在設計早期通過多次迭代找到改進方向。

2. 取料應力分析：隨取料作業，分析連桿的應力及強度變化，不同物料取料時應力集中區域及應力最大位置，進行連桿強度分析和開合疲勞分析。

3. 扭矩應力分析：分析執行機構受力、曲柄扭矩、纜繩受力、抓斗斗體受力（開合電液強度）等。

4.強度分析（鋼纜模型）：模擬在吊裝時的實際狀態，在各種負載條件下測試機器，評估工作能力和可行性，分析自動臂（伸縮）/ 旋轉臂的受力以及鋼纜的受力等。

5.懸臂（剛架構）強度分析：進行強度分析、應力分析，拓撲優化、輕量化設計，考慮環境（風）對懸臂作業擺臂的影響以減小風阻，分別分析非作業狀態和作業狀態下的情況。

6. 結構件的疲勞分析：分析對象包括連接件及運動件、旋轉結構、行走結構、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）；通過對焊接節點的疲勞分析，避免高強度工況下產生過載，得到精細致的維護周期。

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

9. 磨損分析：能更加精準地定義磨損位置，更加清晰地輸出磨損產生的效果，更加精確地預測設備在磨蝕效果下的使用壽命。

四、其它應用案例

· 螺旋卸船機：分析螺旋轉速、物料填充率對卸船效率的影響；螺旋間距的大小、間距對取料效率的影響；物料種類、顆粒大小與螺旋轉速的搭配；進行轉軸扭矩分析以及中心轉軸與筒壁內側的磨損分析、中心轉軸的自身疲勞和應力分析等。

· 刮板卸船機：對刮板進行磨損、強度分析及優化；分析刮板大小、形狀、間距對取料效率的影響；分析刮板運動速度與物料的堆積量對卸船效率的影響；分析進料口形狀、大小、角度對卸船效率的影響；進行鏈條的強度分析和扭矩功率分析等。

· 鏈斗卸船機：對鏈斗進行磨損、強度分析及優化；分析鏈斗大小、形狀、間距對取料效率的影響；分析鏈斗運動速度與物料的堆積量對卸船效率的影響等。

· 料倉卸料分析：分析料倉卸料口的大小、結構對卸料效率的影響；進行料倉的磨損、壽命分析；分析料倉卸料時物料的堆積情況，是否會出現拱形結構等，包括卸料至箕斗和卸料至集裝箱的情況。

· 移動式起重機（爪）：分析抓斗應力、強度、抓取情況；進行液壓系統的機電液聯合仿真分析；對連接件、結構件進行強度、剛度、疲勞分析及優化；分析履帶接地長度、履帶接地比壓和滑轉率隨切土深度的變化規律；進行整機的質心分析布置和輕量化設計等。

· 門式起重機：對抓手和鋼索進行應力、強度分析；分析抓斗抓取能力與液壓系統之間的配合；進行行走軌道的強度分析；對滑輪、連接件等進行強度分析；對橫架梁在工作狀態下進行應力、強度分析、優化設計、輕量化設計等。

五、總結

通過 CAE 的整機建模方式，對港機設備進行整體的性能評估，更加真實和科學。

在設計和制造初期就能夠實現對設備作業狀況的良好預估。

為設計和制造提供良好的設計方法，規避基本設計缺陷。

改善國內設計流程，為研發國產大功率穩定卸船機提供設計依據。

科學地評估設備的磨損、疲勞等損耗，在降低成本的同時增加設備使用的安全性；可視化的仿真數據支持，增加說服力。