一、前言
本文旨在探讨仿真分析在港口机械领域的应用,为港口机械的设计、制造及运维提供整体解决方案,以应对港口机械在实际作业中出现的各类问题。
二、应用背景
(一)集装箱港口
主要设备:岸边集装箱起重机(岸桥)。
常见问题:机械结构承力不足,导致设备产生裂缝;液压系统及制动力方面经常出现一定的质量问题;在役岸桥钢结构连接焊缝锈蚀问题;在役岸桥前大梁拉杆及钢绳强度问题;整机及钢缆的强度负载分析、疲劳分析等。
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(二)散料港口
常见设备:螺旋卸船机、抓斗卸船机、埋刮板卸船机、链斗卸船机。
常见问题:设备提升过载(取料过载、物料堵塞);衬板脱落(设备磨损严重);轴承发热(电机功率过载);链条、板型变形 / 断裂;功率和取料量之间的关系,连接部位的疲劳强度等。
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三、CAE 整体解决方案及设备应用案例
(一)整体仿真分析方案
包括工作中钢架受力分析、钢索模型、结构静强度分析、钢索拖斗建模、支座及行走结构分析、物料被拖动仿真等。
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(二)具体设备应用案例(抓斗卸船机)
1.抓斗取料分析:涉及取料量分析、取料卸料状态分析、避免物料外溢、闭合功率分析(电液仿真)、取料 / 卸料连杆受力分析、抓斗磨损分析等。通过对不同物料取料状态和取料量的分析,确定抓斗的效率和卸料时间,并在设计早期通过多次迭代找到改进方向。
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2. 取料应力分析:随取料作业,分析连杆的应力及强度变化,不同物料取料时应力集中区域及应力最大位置,进行连杆强度分析和开合疲劳分析。
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3. 扭矩应力分析:分析执行机构受力、曲柄扭矩、缆绳受力、抓斗斗体受力(开合电液强度)等。
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4.强度分析(钢缆模型):模拟在吊装时的实际状态,在各种负载条件下测试机器,评估工作能力和可行性,分析自动臂(伸缩)/ 旋转臂的受力以及钢缆的受力等。
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5.悬臂(刚架构)强度分析:进行强度分析、应力分析,拓扑优化、轻量化设计,考虑环境(风)对悬臂作业摆臂的影响以减小风阻,分别分析非作业状态和作业状态下的情况。
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6. 结构件的疲劳分析:分析对象包括连接件及运动件、旋转结构、行走结构、葫芦、吊钩、钢缆、滑轮等。
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7. 焊缝疲劳分析:采用 Volve 分析方法,支持填缝焊、拼接焊等,可评估焊趾、焊根、焊喉处损伤,采用纯弯、纯拉压的疲劳 SN 曲线(压弯、垂直力下的疲劳);通过对焊接节点的疲劳分析,避免高强度工况下产生过载,得到精细致的维护周期。
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8. 行走轨道强度分析:建立运动轨道(曲轨)有限元模型,分析最大形变量和米塞斯应力、应力安全系数,以及是否满足特定工况下的强度要求(特定荷载下)等,还有行走作业曲轨位移云图和应力云图可供参考。
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9. 磨损分析:能更加精准地定义磨损位置,更加清晰地输出磨损产生的效果,更加精确地预测设备在磨蚀效果下的使用寿命。
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四、其它应用案例
· 螺旋卸船机:分析螺旋转速、物料填充率对卸船效率的影响;螺旋间距的大小、间距对取料效率的影响;物料种类、颗粒大小与螺旋转速的搭配;进行转轴扭矩分析以及中心转轴与筒壁内侧的磨损分析、中心转轴的自身疲劳和应力分析等。
· 刮板卸船机:对刮板进行磨损、强度分析及优化;分析刮板大小、形状、间距对取料效率的影响;分析刮板运动速度与物料的堆积量对卸船效率的影响;分析进料口形状、大小、角度对卸船效率的影响;进行链条的强度分析和扭矩功率分析等。
· 链斗卸船机:对链斗进行磨损、强度分析及优化;分析链斗大小、形状、间距对取料效率的影响;分析链斗运动速度与物料的堆积量对卸船效率的影响等。
· 料仓卸料分析:分析料仓卸料口的大小、结构对卸料效率的影响;进行料仓的磨损、寿命分析;分析料仓卸料时物料的堆积情况,是否会出现拱形结构等,包括卸料至箕斗和卸料至集装箱的情况。
· 移动式起重机(爪):分析抓斗应力、强度、抓取情况;进行液压系统的机电液联合仿真分析;对连接件、结构件进行强度、刚度、疲劳分析及优化;分析履带接地长度、履带接地比压和滑转率随切土深度的变化规律;进行整机的质心分析布置和轻量化设计等。
· 门式起重机:对抓手和钢索进行应力、强度分析;分析抓斗抓取能力与液压系统之间的配合;进行行走轨道的强度分析;对滑轮、连接件等进行强度分析;对横架梁在工作状态下进行应力、强度分析、优化设计、轻量化设计等。
五、总结
通过 CAE 的整机建模方式,对港机设备进行整体的性能评估,更加真实和科学。
在设计和制造初期就能够实现对设备作业状况的良好预估。
为设计和制造提供良好的设计方法,规避基本设计缺陷。
改善国内设计流程,为研发国产大功率稳定卸船机提供设计依据。
科学地评估设备的磨损、疲劳等损耗,在降低成本的同时增加设备使用的安全性;可视化的仿真数据支持,增加说服力。
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