港口机械上的整体仿真解决方案

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。