張金貴

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著大型散貨專用船舶的持續(xù)發(fā)展，大噸位卸船機發(fā)展迅速。隨著機型高度變高，內(nèi)部機構(gòu)和電氣柜尺寸變大，位于卸船機陸側(cè)門腿結(jié)構(gòu)頂部的電氣房也越來越大，其迎風(fēng)面積增大，結(jié)構(gòu)重量增加，使得整機輪壓增加，提高了碼頭基建和設(shè)備制造成本，并且降低了卸船機的安全使用系數(shù)。為此，有必要對機器電氣房進行分析探討。

2 功能結(jié)構(gòu)

機器電氣房作為一個整體部件安裝在后大梁上方的陸側(cè)肩梁上，主要由底盤、圍棚、屋頂、門窗、通風(fēng)扇、出繩罩等結(jié)構(gòu)零部件組成。對外界半封閉隔斷，滿足隔熱、防風(fēng)、防雨、防火、防塵、抗腐蝕、抗臺風(fēng)等基本要求。

屋頂設(shè)計坡度不小于1∶10，四周設(shè)置漏水槽，讓雨水能及時排出。屋頂和側(cè)面墻壁結(jié)構(gòu)一般采用H型鋼做骨架，外表面采用厚度不小于1.4 mm的鍍鋅波形板或者3 mm的不銹鋼平板做蒙皮，內(nèi)層采用0.6～0.8 mm的彩鋼扣板或鋁板嵌壓覆蓋，中間層采用薄壁矩形管或者角鋼做檁條，隔熱保溫填充物一般是泡沫塑料、玻璃棉或巖棉等，厚度在50～100 mm。聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)價格較低，安裝方便但阻燃性較差，燃燒時會釋放有毒煙霧。酚醛泡沫塑料的阻燃性優(yōu)于EPS，但不及玻璃棉，價格較高。泡沫塑料隔熱較好，但是吸音效果相對不佳。玻璃棉和巖棉是無機纖維類產(chǎn)品，價格適中，吸音效果好防火性能佳，是目前比較成熟可靠的吸音隔熱材料。如果對噪聲要求特別高，還可以采用穿孔板加吸音材料的組合辦法來解決。通常機器房內(nèi)噪聲要求≤105 dB(A),電氣房內(nèi)噪聲要求≤75 dB(A)。

機器房內(nèi)噪聲源主要是起升開閉小車運行機構(gòu)和俯仰機構(gòu)的電機頻繁正反轉(zhuǎn)切換，高低速制動器頻繁制動，以及減速箱和支承軸承等其他機械振動摩擦等。由于這些噪聲源來自于卸船機的主要工作機構(gòu)，降低其本身噪聲的工作難度很大，所以應(yīng)從加強機器房的隔音入手。

3 熱量計算

機器房的熱源分內(nèi)外兩個方面，外部主要是環(huán)境溫度和太陽的熱輻射，內(nèi)部主要是減速箱油溫散熱、電機散熱、軸承和機械部件的摩擦散熱等。技術(shù)規(guī)格書通常要求機器房內(nèi)的夏季作業(yè)室溫要小于40 ℃，房內(nèi)保持微正壓，散熱降溫的通風(fēng)換氣次數(shù)不小于30次/h。鑒于卸船機是處理散料的設(shè)備，工作環(huán)境粉塵多，機器房是一個半密閉的防塵空間，無法自然通風(fēng)，所以一般都會采取機械強制通風(fēng)的方案。采用帶有空氣過濾器的進風(fēng)扇和排風(fēng)扇，進風(fēng)扇的空氣過濾器用無紡布材料制作，排風(fēng)扇出風(fēng)口采用不銹鋼網(wǎng)作防鳥用途，通風(fēng)扇盡量均布，通風(fēng)扇罩殼下方凈空高不小于2 m。

通風(fēng)扇排氣總量為：

Q=qn

(1)

式中，q為單個通風(fēng)扇排氣量，m3/h；n為通風(fēng)扇數(shù)量；換氣次數(shù)為：

M=Q/V

(2)

式中，V為機器房內(nèi)部空間體積，m3。根據(jù)計算結(jié)果選擇風(fēng)扇型號與數(shù)量。

電氣房通常是內(nèi)嵌在機器房內(nèi)的一個相對密閉房間，電氣房的四壁和頂部采用隔熱、隔音、阻燃材料。室內(nèi)安裝冷熱兼用的工業(yè)空調(diào)，以確保制冷后室內(nèi)的溫度不高于25 ℃，制熱后室內(nèi)的溫度不低于18 ℃，且專門配備除濕機。電氣房內(nèi)的布局一般采用的是PLC室與控制柜室分開的模式，PLC室有CMS控制柜；控制柜室內(nèi)有大車行走、俯仰機構(gòu)、起升開閉小車運行機構(gòu)的變頻控制柜、低壓控制柜、低壓配電柜、照明控制柜等。高壓開關(guān)控制柜和主副變壓器布置在電氣房外的機房內(nèi)。

電氣房需要計算熱量轉(zhuǎn)換作為依據(jù)選擇空調(diào)的功率參數(shù)。

墻壁及屋頂?shù)幕緜鳠崃繛椋?/p>

Qj1=KF(tw-tn)a

(3)

式中，K為傳熱系數(shù)，W/m2℃，取K=5.68/R；R為熱阻值(英制)，當隔熱材料厚度為50 mm時，R=7.4；F為墻壁及屋頂?shù)纳崦娣e，m2；a為溫差修正系數(shù)；tn為室內(nèi)計算溫度；tw為室外計算溫度。

地板夾層的基本傳熱量為：

Qj2=KF(tw-tn)a

(4)

式中，K為地板夾層的傳熱系數(shù)，W/m2℃；F為地板夾層的散熱面積，m2。

玻璃窗的基本傳熱量為：

Qj3=KF(tw-tn)a

(5)

式中，K為玻璃窗的傳熱系數(shù)，W/m2℃；F為玻璃窗的散熱面積，m2。

附加吸熱量為：

Qf=Qj(bf-bli)a

(6)

式中，bf為風(fēng)力修正系數(shù)；bli為墻壁修正系數(shù)；電氣房的基本傳熱量Qj=Qj1+Qj2+Qj3；電氣房內(nèi)電氣設(shè)備的發(fā)熱量Q2；電氣室的總吸熱量Q=Qj+Qf+Q2；根據(jù)總吸熱量選擇空調(diào)的制冷功率。

4 結(jié)構(gòu)計算

機器電氣房的骨架一般采用門式鋼架結(jié)構(gòu)，H型鋼架立柱與機器房底盤結(jié)構(gòu)焊接在一起，底盤結(jié)構(gòu)就是整個機器電氣房的基礎(chǔ)部分。門式鋼架通常用于跨度9～36 m、柱距6 m、柱高4.5～9 m的機器房，屋面坡度宜取1/8～1/20。鋼架橫梁連接鋼架立柱組成門式鋼架，此種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、空間結(jié)構(gòu)比較好，鋼材用量少，制造簡單，安裝方便。

門式鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計主要計算永久荷載、可變荷載與偶然荷載的荷載組合。永久荷載包括外包壓型板與保溫層及覆蓋扣板、檁條、墻架、鋼架立柱、鋼架橫梁、維修行車軌道梁等部件的自重?？勺兒奢d包括維修行車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、屋面均布活荷載等。偶然荷載包括地震荷載和其他意外事故產(chǎn)生的荷載。在這些荷載中地震荷載一般對于地震多發(fā)震區(qū)才予以考慮，積雪荷載按FEM規(guī)范可以不予考慮，除非在特定地區(qū)用戶有此要求[1]，屋面均布荷載一般取0.5 kPa。根據(jù)機器電氣房的結(jié)構(gòu)特性，鋼結(jié)構(gòu)計算通常只考慮強度和撓度計算，疲勞計算不予考慮。中級工作制橋式吊車受彎構(gòu)件容許撓度不大于L/1 000，其中L為受彎構(gòu)件的跨度。鋼架立柱頂部位移不大于H/400，其中H為鋼架立柱高度。

下面重點研究門式鋼架的垂直風(fēng)荷載計算。風(fēng)力作用分為工作狀態(tài)風(fēng)和非工作狀態(tài)風(fēng)，假定風(fēng)可以從任何方向以常速水平吹來，風(fēng)載荷對機器房結(jié)構(gòu)的作用是靜態(tài)的。風(fēng)的動壓為：

q=0.613Vs2

(7)

式中，Vs為設(shè)計風(fēng)速，m/s。卸船機的工作狀態(tài)風(fēng)一般為20 m/s,非工作狀態(tài)風(fēng)一般為55 m/s,個別地區(qū)為75 m/s。

卸船機機器房的結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷為：

F=AqCf

(8)

式中，A為結(jié)構(gòu)的有效迎風(fēng)面積，m2；q為設(shè)計工況對應(yīng)的風(fēng)壓，MPa；Cf為結(jié)構(gòu)部分沿著風(fēng)向的風(fēng)力系數(shù)，通常機器房的殼結(jié)構(gòu)風(fēng)力系數(shù)為1.10。

鋼架結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，計算其僅受單側(cè)風(fēng)均布載荷下的內(nèi)力[2]。

圖1 鋼架結(jié)構(gòu)形式簡圖

剛架柱與剛架橫梁的線性剛度系數(shù)k為：

k=Ib/ICh/s

(9)

式中，Ib為剛架橫梁的平均截面慣性矩,cm4；IC為剛架柱的平均截面慣性矩,mm4；h為剛架柱高度，m;s為剛架橫梁的長度，m。

綜合系數(shù)N為：

N=(kh+f)2+4k(h2+hf+f2)

(10)

式中，f為剛架橫梁坡高度，m。

豎直支座反力為：

V=-VA=VE=wh2/2lk/(3k+1)

(11)

式中，V為支座反力，kN；w為均布水平風(fēng)載荷，kPa。

依據(jù)以上載荷分別計算A點、E點的水平支座反力和彎矩，B、C、D點的彎矩。其他雙坡門式剛接鋼架受力情況簡圖和計算公式參見《輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》。采用塑性分析法確定內(nèi)力時，對受彎構(gòu)件的強度計算、穩(wěn)定性計算按GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進行[3]。鋼架結(jié)構(gòu)載荷內(nèi)力簡圖見圖2。

圖2 載荷及內(nèi)力簡圖

對維修行車的軌道梁、屋頂檁條、側(cè)面墻架等可以按照受彎構(gòu)件來計算，傳統(tǒng)的計算公式較繁瑣，可采用有限元計算更為簡便。

5 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用差動減速箱的卸船機通常擁有兩大傳動機構(gòu)，分別是起升開閉小車運行機構(gòu)和俯仰機構(gòu)。底盤一般會設(shè)計成密閉的箱體結(jié)構(gòu)，在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下還要考慮箱體內(nèi)部電纜托架的布置和電纜的走向。俯仰機構(gòu)和起升開閉運行機構(gòu)的運行作用力最終會通過機構(gòu)底座傳遞至底盤結(jié)構(gòu)上，機構(gòu)底座的對筋十分重要，鑒于局部區(qū)域筋板密集度較高、空間狹小，要考慮焊接空間問題，設(shè)計時要分析哪些部位采用短筋和長筋，哪些部位需要形成箱體結(jié)構(gòu)，尤其需要采用合理的焊接順序來規(guī)避應(yīng)力集中的問題，必要時在施工圖紙的技術(shù)要求中清晰注明。底盤上表面板盡可能的多設(shè)置電纜槽蓋便于穿線，盡量不布置電纜走線槽，使表面平整以免影響工作人員行走。液壓管路和潤滑管路集中布置，在設(shè)計布局時要考慮留有足夠的檢修空間。底盤結(jié)構(gòu)一般會設(shè)置一大一小2個吊裝孔，大吊裝孔的開孔尺寸要滿足最大檢修件的吊裝，機器房中整體最大件通常是減速箱和卷筒，開孔位置應(yīng)考慮維修件從機器房到碼頭面的起吊過程中避免與鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉的情況；小吊裝孔布置在兩大機構(gòu)的中間，主要作用是更換安裝在運行小車上的改向滑輪。

底盤的整體布局見圖3。電氣房位于底盤的陸側(cè)方向，電氣房底盤高于機器房底盤上表面600～900 mm，兩大運行機構(gòu)布置在底盤的中軸線上，電梯井布置在底盤一側(cè)靠近邊墻位置，另一側(cè)靠近邊墻位置布置主、副變壓器，高壓開關(guān)柜，采用護網(wǎng)欄桿封閉，以免發(fā)生危險。如果開關(guān)柜布置位置太靠近門口，此處應(yīng)設(shè)置擋雨墻。

1.PLC房 2.潤滑泵站 3.起升開閉機構(gòu) 4.電氣房 5.排風(fēng)扇 6.大吊裝孔 7.主變壓器 8.擋雨墻 9.進風(fēng)扇 10.俯仰機構(gòu) 11.小吊裝孔 12.液壓泵站 13.電梯 14.防護欄 15.副變壓器 16.高壓開關(guān)柜圖3 機器房布置圖

6 其他設(shè)計要點

機器房內(nèi)部上方安裝起升重量為10 t或12.5 t的橋架式維修行車一部，行車軌道安裝在兩側(cè)結(jié)構(gòu)立柱的軌道梁上，在電氣房頂部或者電梯井頂部留有通往維修行車的維護通道。在海側(cè)墻壁或陸側(cè)開孔處安裝防跳繩托輥組或者高分子抗磨塊，在墻壁開孔處外側(cè)設(shè)防雨防塵罩。機器房內(nèi)部設(shè)置鉗作臺、備品柜及系列維修工具，鋁合金人字梯等。在北方極冷地區(qū)可以采用2層密閉門的形式，更好地阻止冷空氣進入電氣房內(nèi)。機器房屋頂設(shè)置一圈維護欄桿，卸船機的使用壽命一般為25～30年，外包波形板尤其是房頂每10年左右重新油漆維護一次，以免銹蝕漏雨。

電氣房內(nèi)部需要配置工業(yè)吸塵器，經(jīng)常除塵以便減少灰塵對電氣元件的影響。電氣房內(nèi)部要配置煙霧感應(yīng)器，或自動感應(yīng)滅火系統(tǒng)。在機器房和電氣房的便利處布置手提式或者小車式滅火裝置。電氣房地板采用防火板，上面覆蓋厚度4～6 mm絕緣等級10 kV以上的橡膠絕緣地毯。

在電氣房的墻壁上根據(jù)情況設(shè)置玻璃窗以便觀察機器房內(nèi)部機構(gòu)的運行情況。電氣房內(nèi)部留有足夠的行走空間和電氣柜開門空間。吸頂空調(diào)或者壁掛空調(diào)要設(shè)置冷凝水接水盤，通過管路導(dǎo)引到電氣房外部。

7 結(jié)語

目前關(guān)于橋式抓斗卸船機的機器電氣房設(shè)計的論述資料較少，通過對機器電氣房的使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)功能的分析研究，在熱量計算、結(jié)構(gòu)計算、底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行闡述，明確了機器電氣房設(shè)計的每個環(huán)節(jié)，能夠優(yōu)化港機產(chǎn)品設(shè)計，同時也對碼頭的高效運行及安全生產(chǎn)起積極作用。