新技术在现代港口装卸机械上的运用
摘要：港口不仅是陆运和海运的交接点, 也是影响和带动经济发展的国际运输链, 是世界贸易的重要组成部分。它是由水上设施和陆上设施构成的运输综合体，供船舶停靠、货物装卸、旅客上下。港口不仅在货物及旅客的输送过程中对加快车船周转，提高运输效率和降低运输成本起重要作用，它还对推动港口城市的发展发挥积极作用，是国家对外开放的重要门户。随着我国国民经济的持续稳定增长和全球经济一体化格局的形成, 这将会给港口物资流通带来大的发展, 同时也将对现代港口装卸机械提出新的要求。运用现代科技, 采用新技术、新工艺, 实现港口装卸机械的现代化, 已成为港口行业适应物流发展的必然趋势。 关键字： 现代港口 起重机 新技术运用
本文我主要将通过两方面的内容来论述新技术在现代港口上的应用。首先在文章的第一部分我将论述起重机的发展趋势，在文章的第二部分我将就我所知道的一些运用在现代港口的新技术做一个阐述。
一、现代港口的发展趋势介绍
我主要将从五个方面来谈一下现代港口的发展趋势：高效化、智能化、大型化、能源节约化和设计现代化。
1、高效化
随着人们对起重机的要求越来越高，为了满足实际生产实际的需要，我们必须研制出高效率、高速度、高载荷的起重运输机械。目前国外港口矿石卸船效率达6000t/h、煤炭卸船达5600t/h.这说明我们对高效的作业得到了我们的重视。 起重机提高效率的一个重要途径就是提高工作机构的速度，这样可以减少工作循环时间，当然增加循环次数或者在保持每小时一定的工作循环次数情况下，同样可以增加起重机械效率；另外一个办法就是增加每次作业的起重量。自动化同样也可以大幅提高起重机的工作效率。所以我们在进行这一目标的设计时，必须充分考虑它们之间的关系，衡量各方面的权重，从而做出最后的优化设计。
2、智能化
智能化和自动化是现代起重机向更高阶段发展的必然结果，是现代智能高科技在港口起重机械中应用的体现。智能化和自动化的发展不仅大幅提高了起重机械的工作效率，同时为起重机安全可靠的工作提供了有效的保障。在智能化中，主要包括四方面的内容： a) 工作机构的智能控制 b) 故障信息实时监测 c) 金属结构智能监控 d) 安全装置智能保护
3、大型化
随着集装箱运输及大型机械设备运输市场的不断扩大, 要求港口配置大型的装卸机械。规模庞大的新型、高效岸边集装箱起重机在对一些特殊的集装箱船作业中的成功应用, 以及在大型桥式抓斗卸船机, 大型连续式散货卸船机在大型海港码头的应用, 让我们看到了未来港口的大型化、高效化的发展趋势。二十一世纪是面向海洋的时代，大量的海洋工程施工要求超乎寻常的大型海洋起重装备，目前上海振华重工制造了起重量7500t的全回转浮式起重机，为韩国三星制造的起重量8000t的起重船已交付使用，12000t的起重船也正在开发之中。 随着海洋开发的不断需求，将会有更多更大型的起重设备相继诞生。
4、能源节约化
能量的合理利用关系到国家经济能否持速发展，设备的排放严重影响环境的保护。起重机作为一种典型的位能性负载机械，工作过程中能量的消耗和释放特点非常突出，最具能量回收价值，其节能的意义重大而深远。 能源节约化主要包括两方面的内容： a) 能量的回收 b) 起重机能源的代替
5、设计现代化
现代设计方法的应用不仅大大提高了设计速度，同时也大大提高了设计质量。要抛弃以前没有效率、设计复杂的设计方法。实现设计现代化、设计最优化，从而实现最大的经济效益。
二、一些新技术的利用 要实现港口起重机械的很好发展，适应社会的发展需要，我们必须应用一些先进的科学新技术。下面我将就这方面谈谈我自己的看法。
1、CAE技术在现代港口领域的应用和展望
CAE ( Computer Aidded Engineering, 计算机辅助工程) 技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术, 它的理论基础是有限元法和数值分析方法。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连结在一起的单元的组合体。由于单元本身又可以有不同形状, 因此可以模拟几何形状复杂的求解域。数值分析方法是研究适合于在计算机上使用的实际可行、理论可靠、计算复杂性好的数值计算方法,近40 年来, 数值分析迅速发展并成为数学科学中的一个独立学科。
CAE 技术主要是用计算机对工程或产品进行性能与安全可靠性分析, 对其未来的工作状态和运行行为进行模拟, 及早发现设计缺陷, 并证实工程或产品未来性能的可用性与可靠性。
2000 年后, CAE 技术在港口机械领域也得到广泛应用。CAE 技术在港口机械领域的应用价值在于从产品设计初期, 即图纸设计阶段通过建立基本的计算机分析模型, 对所设计的产品进行强度、刚度、疲劳寿命分析及运动学、动力学仿真, 选用合理型材、板厚以及确定结构布置方案, 避免出现缺陷或干涉, 从而有效提高产品设计的可靠性, 缩短设计周期,节约样机制造成本。 CAE技术在现代港口领域的应用范围，重点介绍下面几方面的一些内容： 1) 静态强度刚度计算
静态强度刚度计算是CAE 技术在港口机械领域的主要应用, 也是CAE软件计算的主要内容。《起重机设计规范》(GB3811)、《船舶与海上设施起重设备规范》( 中国船级社)、《欧洲起重机设计规范》( F.E.M) 以及DIN( 德国)、BS( 英国)、JIS( 日本) 等许多国家的起重机设计规范都对起重机在不同载荷组合下的强度有明确要求，所以利用CAE技术对强度的分析有重要意义。 2) 运动仿真
模拟运动部件的动作过程, 给出该部件的力、位移- 时间曲线, 从而确定最佳角度或行程,例如正面吊运机转向系统最佳偏角的确定。我们利用的主要软件为Adams。 3) 动态计算和疲劳寿命计算。
动态计算是为了掌握结构的动态特性, 求出结构的各阶频率及振型; 大多数有限元分析类软件也具有静态分析和动态分析的功能。影响构件疲劳的因素很多，目前疲劳寿命计算的理论基础主要是雨流计数法和线性累计损伤理论, 虽然没有统一权威的算法, 但起重机械的各类规范都对金属结构的疲劳寿命给出了大致算法, 主要软件有Ansys 公司的Fe- safe 软件和MSC 公司的Fatigue 软件。 4) 瞬态分析、接触问题和非线性问题 5) 碰撞问题
下面我将就一些图例来展示这一技术在设计过程中的运用。
图1 集装箱桥式起重机有限元模型 图2 35t门机起重机应力云图
图3 正面吊运机油箱满载工况下变形云图
通过这些技术的运用，对我们实现理想的设计具有很重要的意义和启发。CAD与CAE技术的无缝集成是这一技术的另外一个发展空间。
2、电子技术与机械技术的结合
起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，从而实现起重机的自动化和智能化。大型高效起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。它主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。变压变频调速、射频数据通讯、故障自诊监控、吊具防摇的模糊控制、激光查找起吊物重心、近场感应防碰撞技术、现场总线、载波通讯及控制、无接触供电及三维条形码技术等将广泛得到应用，从而使起重机具有更高的柔性，以适合多批次少批量的柔性生产模式，提高单机综合自动化水平。重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有优良的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自动保护与自动检测，特殊场合的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要。
例如德国采用激光装置查找起吊物的重心位置，在取物装置上装有超声波传感器引导取物装置自动抓取货物，吊具自动防摇系统能在运行速度200m/min, 加速度0.5m/s2情况下很快使起吊物摇摆振幅减至几个毫米。起重机可通过磁场变换器或激光达到高精度定位。起重机上安装近场感应系统，可避免起重机之间的互相碰撞。起重机上还安装了微机自诊断监控系统，该系统能提供大部分常规维护检查内容，如齿轮箱油温、油位，车轮轴承温度，起重机的载荷、应力和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。
重点介绍一下PLC技术。PLC全称为可编程逻辑控制器,其在现今的起重机械中普遍的应用,从而使得机械自动化的水平达到较高水平。PLC在传统顺序控制基础上引入计算机技术、微电子技术,并实现顺序控制、执行逻辑等功能,且建立柔性程控系统。目前,PLC已经成为起重机的设计领域的重要的控制系统。因为PLC控制起来比较灵活,并且功能强大,因此该设计方案较易操作,且结构紧凑,大大提高控制系统的可靠性及精度。在起重机领域中,PLC的使用主要分以下几类:运动、过程以及开关量逻辑控制。PLC可以用于控制直线运动或者圆周运动,一般采用专用运动控制的模块。起重机在使用中,有些例如温度、流量、速度、压力及液位等连续变化的模拟量。PLC会采用相应A/D与D/A转换模块以及各种控制算法的程序来处理这些模拟量,以完成闭环的控制。在开关量逻辑控制上,PLC取代了传统继电器电路,实现了顺序控制逻与辑控制,这样既可以控制单台设备,也可以多机群控。
这对实现起重机的高效化、智能化、大型化的发展趋势提供了很有利的一个平台。
3、新材料、新工艺技术的应用
减轻机器的自重，实现起重机械的轻柔化、减小起重机振动、人机工程学的应用都得依赖于新材料技术的应用。
结构方面采用薄壁型材料和异形钢、减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。采用各种启强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。桥式起重机的桥架结构型式大多采用箱形四梁结构，主梁与端梁采用高强度螺栓联接，便于运输与安装。在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构。三合一运行机构是当今世界轻、中级起重机运行机构的主流，将电动机、减速器和制动器合为一体，具有结构紧凑、轻巧美观、拆装方便、调整简单、运行平稳、配套范围大等优点，国外已广泛应用到各种起重机运行机构上。为使中小吨位的起重小车结构尽量简化，同时降低起童机的尺寸高度，减少轮压，国外已大量采用电动葫芦作为起升机构。为了减轻自重，提高承载能力，改善加工制造条件，增加产品成品率，零部件尽量采用以焊代铸，如减速器壳体、卷简、滑轮等都用焊接结构。减速器齿轮都采用齿面，以减轻自重、减小体积、提高承载能力、增加使用寿命。液压推杆盘式制动器的应用范围也越来越大。此外，各机构采用的电动机都向高转速发展，从而减小电机基座号，减轻重量与减小外形尺寸，并可配用制动力矩小的制动器。
4、现代设计方法的应用
数字化设计是现代设计的必然发展方向，其全部的设计工作将会在一定的设计平台上进行，它将方案设计、机构设计、结构设计、电气设计、辅助机构设计、机构计算、结构分析、三维建模、工程图形生成、装配分析、设计修改等多种设计工作集成于一体，最后通过直接与加工设备通信，实现数字化制造。
5、其它技术的运用（比如双机构行星差动机构传动）
图4 双机构行星差动起升机构联系图
双机构行星差动机构传动由两台电机通过行星差动机构( 行星减速器)驱动两套卷筒, 当一台电机发生故障时, 安装在该轴线上的工作制动器制动, 另一台电动机通过行星差动机构以1/ 2 额定速度起升, 由于采用了行星机构, 不会产生过载, 可以长时间连续工作, 这对工作繁忙的炼钢车间至关重要。在两卷筒上各装有液压事故制动器, 在事故状态下, 在断齿、断轴、联轴器损坏导致钢水罐下落时装在卷筒轴及电动机轴上的脉冲编码器发出超速信号, 液压系统控制紧急制动器制动, 可防止恶性事故发生。
当然我们对于这一方面的创新远远不止如此。比如在桥式抓斗起重机上我们使用的小车运行方式上的创新，比如小车运行方式选择四卷筒牵引。在岸桥设计中，我们为了防摇采取的一些技术：翘翘梁防摇、分离式小车防摇、电子防摇装置等。这对我们起重机的发展都具有深远的意义。
6、节能新技术的应用
港口大型起重设备机械动作过程通常是在带载工况下，完成几十米的垂直位移变化，导致的位能变化形成的再生能量相当大。因此港口大型设备是一类具有较大节能潜力的机械。
在起重机的应用中，我们采用较多的变频装置采用不控整流模式。当能量由电机侧回馈至母线时，传统方法是采用通过内置或外加制动单元将再生能量消耗在电阻器上，因而造成巨大的能源浪费。也有采用半控型器件晶闸管进行有源逆变，实现能量的再生利用。
AFE是通过一个主动的（active）面向电网角度的矢量控制，以确保最佳的电能供应。它将三相交流电源整流变成可调直流电压，在回馈环节，对这个直流电压的调节又给三相交流电源侧叠加一个快速矢量控制。这个矢量控制发送给电网一个近似正弦波的电流，这类似于1台电压型的变频器。因而，在附加电网净化滤波器的帮助下，电网仅保持一个很小的扰动。基于以上控制，矢量控制可调节功率因数（cosφ），因而也能补偿无功功率。据以上分析，当港口起重机采用AFE装置，能将一般起重机平时损耗的能量回馈至电网，而且能将电网功率因数调节到近似为1，供电达到近似纯电阻性负载。实际使用时，可观察到使用AFE后节电效果明显，当重物下放过程中明显看到电表飞快的倒转，据测算，安装了AFE单元的设备比未安装的设备，在单位时间内可节电40%多。相比于常规控制，使用SIMOVERTM ASTER DRIVES AFE装置不需要制动单元、大量的制动电阻，也不需要并联电容以补偿功率因数，故设备显得简单而精准。
图5 钢板装船机传动机构主回路框图
对于其它节能技术的研究，我们还有很多种不同的方法。比如控制小车的运行方式。它的原理是在为进行抓斗升降的情况下，小车在运行的过程中必须保证抓斗的高度不产生升降。所以这一创新技术在生产实际中也得到了很广泛的应用。当然应用的技术远非这些，并且还要更多的发展空间，需要我们不断探索。
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