港口卸船机抓斗运行轨迹优化分析

港口卸船机抓斗运行轨迹优化分析

李健

京唐港首钢码头有限公司， 河北 · 唐山 063611

摘 要：在经济全球化大环境下，贸易量的增长在一定程度上促进了海上运输业的发展，高效化的卸船机的应用，能够满足港口装卸的多元化需求。论文就卸船机抓斗运行的动力原理进行阐述，明确抓斗运行轨迹受到参数改变的影响，在此基础上对港口卸船机抓斗运行轨迹优化展开探究，旨在促进卸船机实际使用性能的增强，仅供相关人员参考。

Abstract:In the context of economic globalization, the growth of trade volume has promoted the development of maritime transport industry to a certain extent. The application of efficient ship unloaders can meet the persified needs of port loading and unloading. This paper describes the dynamic principle of the operation of the grab of the ship, and it is clear that the operation track of the grab is affected by the change of parameters. On this basis, the optimization of the operation track of the grab of the port ship unloader is explored, so as to promote the enhancement of the actual use performance of the ship unloader, which is only for the reference of relevant personnel.

关键词：港口；卸船机；抓斗运行；轨迹优化

Key words: port; ship unloader; grab operation; trajectory optimization

1 引言

港口装卸领域内，抓斗卸船机具有良好的应用价值，能够满足不同行业的应用需求，技术水平较高，并且所受海洋条件的限制较小。在经济融合的大环境下，运输业快速发展，对于港口卸船机的运行效率也提出了更高的要求，通过抓斗运行轨迹的优化，能够促进卸船机技术的提升，为其自动化控制的实现打下良好的基础。

2 卸船机抓斗运行的动力原理

在物体运动过程中，以几何学原理为支持，运动学能够解释并分析物体运动，不考虑外力因素，如力和质量等，这是理论力学中的一项重要内容。对于卸船机来说，以运动学和力学理论知识为基础，抓斗运行轨迹研究得以顺利开展。当前科学技术条件下，我国桥式抓斗卸船机的研究不够深入，大多是对国外技术进行模仿，无论是设计还是分析方面都要加大研究力度，以确保为技术创新提供支持。就卸船机的类型来看，其主要包含两种，其一是连续式卸船机，优势在于应用范围较广，但灵活性不足，部分物料在装卸方面存在限制；其二是非连续式卸船机，也就是抓斗式卸船机，其具有良好的经济性，适应性较强，能够满足市场需求，尤其是在颠簸等外在环境下具有较强的灵活性，在所卸载物料方面也具有良好的适应性，因而具有广阔的应用和发展空间。

抓斗卸船机运行过程中，为提升其稳定性，避免受到不平衡力的影响而出现机体倾斜，这就需要重视动力系统的研究，明确卸船机抓斗系统的整体性，将其看作是二自由度二维非线性性质，而暂时不将侧向摆动作为研究重点。在这一动力系统研究过程中，以小车和抓斗作为研究对象，从质点的角度出发，以钢丝绳来连接小车和抓斗，这就能够建立简单化的动力学系统，而以二自由度作为本质，抓车的动力学模型如图1所示。

图1 抓车的动力学模型

在上图中，小车以A进行表示，抓斗以B进行表示，钢丝绳以C进行表示，钢丝绳长度以L表示，小车运动中钢丝绳的摆动，与垂直方向所产生的夹角，通过φ来进行表示，小车运动速度可通过v来表示。

在高速运行的条件下，为准确把握小车抓斗中摆动情况，需要假设处于理想条件下，不以卸船机在港口的实际工作情况作为研究的重点，主要从钢丝绳实际质量、钢丝绳摆动长度变化以及抓斗摆动摆角这三个方面入手来进行假设，为卸船机抓斗运行轨迹的优化创造条件。具体来说，假设一，就是不考虑钢丝绳实际质量，而对抓斗过程中摆动情况进行分析；假设二，钢丝绳刚度足够大的情况下，其长度变化并不明显，在这一环节不考虑钢丝绳摆动阶段长度变化，对抓斗过程中摆动情况进行分析；假设三，在抓斗摆动条件下，令抓斗摆角最大的情况下仍然不超出10度。通过立项状态的假设，能够最小化小车运行路径以及抛料情况，确保卸船机抓斗生产效率最高，这就能够有效优化卸船机抓斗运行轨迹。

3 参数改变影响抓斗运行轨迹

在卸船机抓斗运行过程中，运行轨迹往往会受到参数改变的影响，因此，在对抓斗运行轨迹优化展开探究的过程中，必须要重视参数改变的影响。在这一环节，要以小车作为研究对象，把握好小车运行的速度，并保持合适的速度来对钢丝绳提升加以控制和优化，这就能够促进卸船机生产效率的显著提升[1]。在实际研究过程中，通过控制变量法的应用，能够明确卸船机抓斗运行过程中不同参数条件对于运行轨迹的具体影响。

在这一阶段，要明确抓斗运行轨迹所受小车运行速度的影响，对其他参数进行有效控制，对相关影响因素进行分析，包括速度、加速度、钢丝绳提升速度等，以抓斗为对象分析其消摆问题，从而为卸船机抓斗稳定可靠运行提供支持。当其中一个参数发生变化时，对钢丝绳进行仔细观察，明确其摆动情况，这就能够明确卸船机抓斗运行轨迹所受参数改变的具体影响。为保证对比的清晰化，可对小车额定运动参数表进行规范制作，对小车起动阶段和止摆控制阶段实际运动速度进行对比分析，具体数据如表1所示。

表1 小车额定运动参数表

通过对小车额定运动参数进行系统化分析可知，在不同时间段内，钢丝绳及小车变动情况也有所不同，以钢丝绳和小车为对象，彼此重心在X轴之间距离也能够更为清晰地获得。

4 港口卸船机抓斗运行轨迹优化

现如今，国际散货运输行业快速发展，对于卸船机运行效率提出了更高的要求，为满足港口运输业的需求，必须要注重设备更新、起升速度提升等，以提升卸船机技术水平，因此，对港口卸船机抓斗运行轨迹优化是非常必要的。在港口卸船机抓斗运行研究过程中，一般以小车、抓斗和钢丝绳作为研究对象，就动力学关系以及运动学关系展开探究，从而为卸船机抓斗运行轨迹的优化提供良性支持。在动力学研究过程中，非线性方程组是一个重要组成部分，为确保方程组顺利求解，需要给定初始条件以及边界条件。由于非线性方程组具有较强的系统性和复杂性，这就对解答过程提出了较高的要求，数值方法的合理化应用，能够促进非线性方程组的顺利解答，比较常用的数值方法就是逐步积分法[2]。

在实际研究过程中，基于数字方式出发，由于初始条件具有具体化的特征，无法准确确定，因而定解条件并未给定，为促进非线性方程组的顺利解答，需要以微分方程为支持，确定定解条件，为方程解的获取提供支持，基于反问题要求出发，来确定定解条件，促进研究条件的逐步提升，这就能够更好地开展深入研究，保证生产效率达到最高[3]。基于此，对抓斗不摇摆的运动轨迹进行探究，明确在保持最高效率的情况下，获取有关小车抓斗运行的细节，如运动方式、钢丝绳提升方式等。

在港口卸船机抓斗运行研究过程中，为促进运行轨迹的有效优化，需要就定界条件进行具体分析，明确条件的差异性，反复求解非线性动力学方程，在获得计算结果后，对比并分析不同计算结果，这就能够探寻其中存在的运行规律，进而找准抓斗运行轨迹优化的最佳途径[4]。

在立足港口装卸现实情况出发，分析卸船机发展趋势，对相关文献进行查阅，以运动学和力学相关理论为支持，获得不同参数，就此建立模型，对卸船机抓斗运行轨迹进行具体分析，对卸船机抓斗运行轨迹进行优化，这就能够促进抓斗系统生产效率的显著提升，抓斗轨迹控制也能够达到理想的效果，这就有助于促进企业卸船机顺利改造，对于港口运输业的发展也具有重要的推动作用。

5 结语

总而言之，现如今国际需求日益增长，但我国港口卸船机抓斗运行技术仍有待进一步提升，这就必须要正确把握卸船机抓斗运行动力原理，明确参数对于抓斗运行轨迹所产生的重要影响，加大技术研究力度，全面提升卸船机技术水平，为港口运输事业的持续健康发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1]程宇航,李时现.桥式抓斗卸船机全自动作业解决方案[J].中外企业家,2018(24):110-111.

[2]王晶.浅谈大型港口散料输送设备桥式抓斗卸船机的制造检验[J].科技视界,2018(11):198-199.

[3]胡凯,马立.桥式抓斗卸船机3种料斗形式在港口工程中的应用[J].港口装卸,2014(03):17-19.

[4]钟尚文.港口机械桥式抓斗卸船机的探讨[J].科技创新与应用,2012(01):29-30.

个人简介：李健（1987-），男，河北唐山人，助理工程师，从事机械设计制造及其自动化研究。