基于垂懸敷設(shè)的螺旋卸船機回轉(zhuǎn)電纜敷設(shè)工藝優(yōu)化設(shè)計

徐勝燁，施永昌

（1.國家能源集團泰州發(fā)電有限公司，江蘇泰州 225327；2.杭州華新機電工程有限公司，杭州 310030）

0 引言

全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展趨勢下，電力、建材以及鋼鐵等行業(yè)運輸量增長的同時，港口裝卸設(shè)備和倉儲物流系統(tǒng)的需求量也顯著提升。與此同時，伴隨著貿(mào)易一體化進程的加快，全球范圍內(nèi)各大港口碼頭散料貨物吞吐量不斷增加。傳統(tǒng)散貨裝卸過程中所產(chǎn)生的“噪聲大”、“揚塵多”等環(huán)境污染問題日益突出。螺旋卸船機是水運中轉(zhuǎn)系統(tǒng)的一項重要設(shè)備，無論是選型，還是設(shè)計，都將關(guān)系到系統(tǒng)的整體使用性能。為實現(xiàn)散貨裝卸由傳統(tǒng)向現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變進而賦能綠色港口建設(shè)，GENMA品牌氣力式卸船機是某公司根據(jù)當(dāng)前市場和環(huán)保要求自主研發(fā)的一款連續(xù)卸載、全封閉輸送、具有創(chuàng)新理念的港機設(shè)備，能夠輕松卸載大豆、玉米等糧食以及水泥熟料等多品種輕質(zhì)散料。設(shè)備最大卸船能力600 t/h，適應(yīng)船型500～80 000 dwt，可根據(jù)碼頭實際情況設(shè)計成固定式、軌道式或輪胎式。現(xiàn)階段，我國對于環(huán)保事業(yè)的日漸重視，各個港口碼頭對于全封閉式連續(xù)螺旋卸船機的應(yīng)用有著較大的需求。大規(guī)模環(huán)保螺旋卸船機過去被歐洲企業(yè)市場壟斷，我國為打破這一局面，特別自主研發(fā)了高效大型1 500 t/h螺旋卸船機，對于其結(jié)構(gòu)中門架筒體和轉(zhuǎn)柱塔間采用±110°回轉(zhuǎn)電纜，通過電纜的連續(xù)敷設(shè)，實現(xiàn)對卸船機電氣工藝的優(yōu)化設(shè)計，合理布局電纜走向，采用驅(qū)動裝置實現(xiàn)對電纜的有效控制。

1 螺旋卸船機技術(shù)參數(shù)

在航運工程中，螺旋卸船機主要是以無撓性牽引構(gòu)件的垂直與水平螺旋輸送機為主要機構(gòu)的機械設(shè)施，可連續(xù)地進行散貨卸船［1］。卸船機包含門架、水平與垂直螺旋、喂料器等部分，通常會在密閉的工作狀態(tài)下進行作業(yè)，所以不會受到粉塵污染，有著較好的環(huán)保特性。卸船機額定生產(chǎn)率能夠超過2 000 t/h，設(shè)備內(nèi)安裝了反向旋轉(zhuǎn)式取料裝置，物料可以緊密地在輸送管中流動，并在距離艙底50 cm的位置，卸船機可以不間斷的工作。項目需要用到2臺ATXL600B型螺旋卸船機，可以接卸50 000 dwt散貨船，單機卸船能力為600 t/h，行走輪數(shù)共計20只，軌距10.5 m。卸船機自重共計390 t，長寬高分別為38.03 m、16.88 m、28.1 m，其中水平臂是卸船機的最大部件，自重就達到200 t［2］。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

2.1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)

圖1所示為卸船機的轉(zhuǎn)柱塔與門架結(jié)構(gòu)部分。門架結(jié)構(gòu)的最上部位就是筒體，需要在螺栓與回轉(zhuǎn)軸承的聯(lián)接下保持工作效率。在螺旋卸船機當(dāng)中，轉(zhuǎn)柱塔是其中主要結(jié)構(gòu)，可用來支撐上部回轉(zhuǎn)部分，中間有卸料系統(tǒng)的溜筒裝置。筒體與轉(zhuǎn)柱塔結(jié)構(gòu)間使用了驅(qū)動裝置，共計兩套，相互之間可以構(gòu)成回轉(zhuǎn)機構(gòu)，使筒體和轉(zhuǎn)柱塔之間達到±110°的回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速通常保持在0.15 r/min左右［3］。

圖1 卸船機轉(zhuǎn)柱塔與門架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電纜布置走向

在電纜布置方面，螺旋卸船機主要包含上部與下部電纜兩部分。上部電纜在敷設(shè)時，先從電氣房沿著托架敷設(shè)，一直到敷設(shè)到門架筒體的位置，隨后經(jīng)過回轉(zhuǎn)機構(gòu)敷設(shè)到水平與垂直臂架驅(qū)動裝置處，確保上部結(jié)構(gòu)的所有電氣設(shè)備都顧及到，整體大概需要60根電纜，其中包含動力電纜、通訊電纜以及控制電纜，需設(shè)計更加可靠的電纜敷設(shè)方案，確保卸船機動力總成，保障電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行［4］。

2.3 現(xiàn)有電纜敷設(shè)方案

（1）中心繼電器部分的電纜敷設(shè)。在卸船機中，中心繼電器也叫作中心受電環(huán)，主要用來進行電氣動力傳輸，并為結(jié)構(gòu)件在做圓周運動時提供信號傳導(dǎo)服務(wù)。電纜需要連接繼電器上下兩部分接線柱，同時在回轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動之下，中心繼電器的滑環(huán)能夠和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)，并在回轉(zhuǎn)的過程中完成動力傳輸［5］。但是設(shè)備的安裝面臨著一定的限制，必須保持垂直安裝，且中心集電器與設(shè)備的中心旋轉(zhuǎn)軸線保持重合，安裝時允許偏差必須小于設(shè)備高度的1/1 000。從卸船機的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來看，如果在此處安裝溜筒裝置，那么裝置就會與中心集電器發(fā)生沖突與干擾。

（2）電纜拖鏈敷設(shè)方案。在卸船機中，電纜拖鏈屬于束縛電纜的一種裝置，以便電纜轉(zhuǎn)動，能夠伴隨著設(shè)備的移動或旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過導(dǎo)向裝置在導(dǎo)向槽內(nèi)不斷運行，具有安全保護的功能。結(jié)合卸船機的實際作業(yè)情況，采用高柔性電纜，以電纜拖鏈的方式進行電纜敷設(shè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計［6］?？傮w來看，電纜拖鏈系統(tǒng)在維護時比較方便，且系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，但是拖鏈和柔性電纜的造價成本比較高，如果不計算支架或平臺維護的成本，拖鏈與相配套的電纜價格就已經(jīng)高達40萬元。

3 優(yōu)化方案

3.1 總體設(shè)計

掌握港口工程中螺旋卸船機的回轉(zhuǎn)作業(yè)大致情況，確定回轉(zhuǎn)運動軌跡，以此為前提設(shè)計電纜敷設(shè)方案，大致情況如下：采用垂直的方式敷設(shè)電纜，筒體與轉(zhuǎn)柱塔分別代表著固定端與移動端，上部安裝兩個電纜支架，負(fù)責(zé)固定電纜的兩端，憑借著電纜的柔性設(shè)計，讓60根電纜可以隨著回轉(zhuǎn)機構(gòu)一同回轉(zhuǎn)，保持同步運轉(zhuǎn)，避免電纜發(fā)生扭曲或者扯斷的問題，具體如圖2所示［7］。

圖2 總體設(shè)計

3.2 電纜結(jié)構(gòu)與材料選擇

3.2.1 電纜結(jié)構(gòu)

用于卸船機的電纜大致包含導(dǎo)體、絕緣層、內(nèi)外護套以及鎧裝幾部分，圖3所示為電纜結(jié)構(gòu)的截面圖［8］。

圖3 電纜結(jié)構(gòu)截面圖

其中導(dǎo)體通常采用銅或者鋁材料，當(dāng)銅的含量達到99.9%以上時，此時電纜導(dǎo)體的導(dǎo)電率最高，所以銅導(dǎo)體的導(dǎo)電性更強；絕緣層需要包裹在導(dǎo)體以往，卸船機通常會使用乙丙橡膠或聚氯乙烯電纜絕緣方式，前者作為合成橡膠絕緣，電纜肉性較強，抗風(fēng)化性較好。聚氯乙烯即PVC材料是一種塑料類絕緣，導(dǎo)體工作溫度低于70℃，同時短路溫度不能超過160℃。表1所示為兩種絕緣材料的特性比較情況，具體需要根據(jù)卸船機的實際情況來選擇電纜的結(jié)構(gòu)。

表1 不同絕緣材料的性能比較

電纜的外護套需要對電纜內(nèi)部進行保護，從而承受來自外力作用，一般卸船機會使用聚氯乙烯材料的保護套。表2所示為電纜允許半徑情況［9］。

表2 螺旋卸船機回轉(zhuǎn)電纜允許彎曲半徑

3.2.2 最大允許工作電流計算

這一數(shù)值通常與電纜絕緣材料相關(guān)，同時要將最高允許溫度作為基準(zhǔn)。導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量需要和電纜散熱相平衡，溫度不能超過絕緣材料最高允許溫度。當(dāng)電流達到最大負(fù)荷的時候，電纜和導(dǎo)線的溫度應(yīng)低于最高允許溫度，即導(dǎo)線可通過的最大電流值應(yīng)當(dāng)?shù)陀谄渥钚栎d流量，相應(yīng)計算公式如下：

Ial≥Imax

式中：Ial為電纜可允許的載流量；Imax為線路中最大長期工作電流，也就是計算電流。

廠家電纜載流量表一般是在特定的環(huán)境溫度與現(xiàn)場敷設(shè)條件下給出的數(shù)據(jù)，所以電纜允許載流量需要與修正系數(shù)相乘。單芯電纜最高可允許電流公式如下：

I＝α·S0.625

式中：I為最大允許電流，A；S為導(dǎo)體標(biāo)稱截面積，mm2；α為可允許的最高溫度下絕緣材料系數(shù)，最高溫度為60℃時，導(dǎo)體截面積大于或等于2.5 mm2，絕緣材料系數(shù)為9.5，最高溫度為85℃時，系數(shù)為15［10］。

3.2.3 最大允許短路電流計算

一旦卸船機系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，電纜就會在故障切出的一段時間內(nèi)負(fù)擔(dān)短路電流，且短路電流會超出額定電流的多倍，此時導(dǎo)體溫度迅速上升，電纜絕緣材料和外部護套有可能損壞。所以，有必要計算出最大允許短路電流。電纜短路容量一般會由溫度變化與維持短路電流的時間決定，相應(yīng)計算如下所示：

式中：I為電纜短路允許電流，A；J為焦耳常數(shù)，即J＝4.186；S為導(dǎo)體截面積，cm2；C為導(dǎo)體的熱容量，量綱采用cal·℃-1·cm-3；a為20℃狀態(tài)下導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)；r1為導(dǎo)體電阻，Ω·cm-1；Tm和Tn分別為短路故障時導(dǎo)體最高允許溫度和初始溫度，℃；t為短路電流通過電纜的時間，s。

通常情況下，聚氯乙烯的短路導(dǎo)體最高允許溫度是120℃，而初始導(dǎo)體溫度為75℃。本文選用交聯(lián)聚乙烯材料為電纜的絕緣材料，Tm和Tn的值分別是230℃和85℃。銅導(dǎo)體各項參數(shù)如下：c＝0.81 cal·℃-1·cm-3；r＝1.72×10-6/s Ω·cm-1；a＝0.00393。代入上述公式，得知由此可知，用于螺旋卸船機的短路電纜與材料截面、短路電流通過時間有著緊密的聯(lián)系［11］。

3.3 電纜支架安裝

安裝移動端電纜支架的時候，需要將其安裝于轉(zhuǎn)柱塔的下部，回轉(zhuǎn)軸線處會有溜筒裝置，所以在安裝電纜支架前必須考慮到支架的位置，防止電纜會與轉(zhuǎn)柱塔在同步回轉(zhuǎn)時出現(xiàn)碰擦。制作支架自由端時應(yīng)考慮到當(dāng)電纜垂直向下敷設(shè)時材料的延展性，兼顧電纜自然彎曲半徑，保護電纜外表不會受到損傷。圖4所示為移動端的電纜支架示意圖。

圖4 移動端電纜支架示意圖

門架筒體上安裝固定端支架，且安裝角度需要與移動端支架一直，確保垂懸電纜可以敷設(shè)的更加順滑自然，防止有絞頭出現(xiàn)。安裝高度應(yīng)當(dāng)?shù)陀谝苿佣酥Ъ? m，并滿足電纜回轉(zhuǎn)期間垂懸部分的最大拉伸距離要求。如圖5所示。

圖5 固定端電纜支架示意圖

采用Q235B材料制作電纜支架，提前進行熱浸鋅處理，中間使用20 mm直徑的圓鋼，對電纜進行固定。

3.4 垂懸電纜長度與保護措施

安裝好電纜支架，再確定移動端與固定端間電纜長度，探究轉(zhuǎn)柱塔在±110°的時候的位置，得出電纜拉伸距離，以此作為垂懸敷設(shè)的預(yù)留長度。此外，還應(yīng)加入安全系數(shù)，即：垂懸電纜預(yù)留長度＝理論長度×1.2。得出相應(yīng)數(shù)值后，還應(yīng)做好保護措施，防止電纜在敷設(shè)或使用中出現(xiàn)拉扯斷裂的問題［12］。避免電纜同步回轉(zhuǎn)時速度過快或動作急停，防止垂懸電纜出現(xiàn)大幅度擺動的問題，需在溜筒結(jié)構(gòu)位置覆蓋圓弧形的板材，確保溜筒表面光滑平整［13］。

3.5 施工工藝

敷設(shè)電纜期間，應(yīng)保持電纜拉直且整齊，沒有任何扭曲纏繞的情況。根據(jù)電纜的直徑，將電纜劃分為兩層，均勻地敷設(shè)在支架上，先敷設(shè)下層，再敷設(shè)上層，其中下層電纜屬于粗電纜，上層為細(xì)電纜，這樣做是為了避免電纜在垂懸的過程中因為自重而壓壞電纜。金屬與尼龍扎帶進行電纜的綁扎固定，3道尼龍扎帶與1道金屬扎帶為一個組合。對于垂懸電纜的最底部，電纜的彎曲半徑建議按照電纜直徑8倍來計算，保持電纜可以柔順彎曲，不會有絞頭出現(xiàn)，滿足卸船機回轉(zhuǎn)作業(yè)需求［14］。對于卸船機中的通訊電纜，有必要單獨敷設(shè)金屬軟管，兩端接地，謹(jǐn)防信號傳輸期間受到干擾影響。綜合后期維護與保養(yǎng)作業(yè)，電纜終端可分別安裝接線箱。

4 效果分析

垂直敷設(shè)電纜，筒體與轉(zhuǎn)柱塔分別為固定端與移動端，上部安裝兩個電纜支架，負(fù)責(zé)固定電纜的兩端，憑借著電纜的柔性設(shè)計，讓60根電纜可以隨著回轉(zhuǎn)機構(gòu)保持同步運轉(zhuǎn)［15］。對Q235B電纜支架提前進行熱浸鋅處理，中間使用20 mm直徑的圓鋼，再對電纜進行固定?？紤]到電纜后期維護與保養(yǎng)的作業(yè)操作的便捷性，需在垂懸電纜的終端安裝接線箱，以此作為垂懸電纜上下連接之間的有效過度。如圖6所示，該螺旋卸船機經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，單臺設(shè)備制造費用顯著下降，設(shè)備最大卸船能力600 t/h，適應(yīng)船型500～80 000 dwt，可根據(jù)碼頭實際情況設(shè)計成固定式、軌道式或輪胎式。卸船機還在卸料的出口處，應(yīng)用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型無動力抑塵技術(shù)，基于節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢，螺旋式卸船機將會為港口行業(yè)發(fā)展與綠色港口建設(shè)帶來更加長遠(yuǎn)的綜合效益。

圖6 螺旋式卸船機

5 結(jié)束語

總而言之，為進一步控制海外作業(yè)風(fēng)險，減少設(shè)備安裝調(diào)試期間對碼頭的占用時間，降低安裝費用支出，根據(jù)螺旋卸船機的搬運與吊裝情況，有必要進一步優(yōu)化其回轉(zhuǎn)電纜敷設(shè)工藝。螺旋卸船機對于貨物與船型有著較強的適應(yīng)性，可用于裝卸煤炭、水泥、鉀鹽等粉末狀或顆粒狀材料，且使用時對于生態(tài)環(huán)境的污染較小。封閉式的卸船機在作業(yè)期間不會產(chǎn)生料塵飛揚的現(xiàn)象，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，重量較小。通過對螺旋卸船機的優(yōu)化設(shè)計，科學(xué)安裝移動端與固定端的電纜支架，計算電流通過情況，使電纜敷設(shè)方式更加合理，同時單臺卸船機的制造費用比同類產(chǎn)品下降了大約20%，這為后續(xù)卸船機裝置的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計與制造提供了借鑒與參考。