为创新设计高效带斗门座式起重机，优化其主要技术参数，使卸船效率达到1500t/h：
采用悬挂式结构卸料系统，缩短循环时间，提高作业效率，同时降低整机重心高度，提高整机稳定性；
创新设计四卷筒起升机构，在满足设备载荷能力和作业稳定性的前提下，保证了机构整体布置的紧凑协调；
设计撒料自动回收系统，将抓斗的撒料进行收集，自动回收至卸料系统内，降低清扫的人力物力，并且避免撒料对环境造成的污染；
开发适用于带斗门机的半自动化控制系统，在抓取物料后在合适时机自动介入，接管卸料控制过程，有效提高了装卸效率，并且降低了司机的操作强度。
0 引言
目前，国际上广泛应用于码头散货作业的机械有通用门机或带斗门机、抓斗式卸船机、多种连续卸船机，国内通用门机的主力机型为40t及以下吨位的门机，门机作业需要旋转角度，影响作业效率，抓斗或链斗卸船机作为专业化装备，效率一般在800~4500 t/h，但其自重大，对码头造价和要求高，而连续卸船机对货种要求高、造价高。带斗门机是在通用门机基础上创新而来的效率介于通用门机和卸船机之间，一般不超过1000 t/h。
2015年6月27日，交通运输部和国家发展改革委联合发出通知，全国首批4个港口（大连港、唐山港曹妃甸港区、青岛港、宁波舟山港）5座码头共7个泊位获准停靠40万吨级超大型矿石运输船。同年6月30日晚间，中国矿运旗下“远卓海”轮抵达青岛外海，开启中国港口的大船时代。
近几年，重大件货的装卸和中转所占总装卸物流数量的比例增大，使大型起重机的需求量也不断增长，而接卸40万吨级超大型运输船，其装卸设备效率要求在3500 t/h以上、前伸距在50m以上的抓斗卸船机，每台自重大于2500 t，造价高于6000万元，对码头的轨距、承载要求和造价要求较高，这对于通用、多用途的港口来说，投资大，利用率相对较低。而高效带斗门机对码头要求低，造价低，对不同船型、不同货种均适用，在正常情况下2台即可满足40万吨级超大型运输船的装卸要求，且造价远低于单台专用的抓斗卸船机。因此，研发大型智能化高效带斗门机是适应我国港口海船大型化的最经济、最实用的装卸设备。
近几年，带斗门机作为一种多功能、效率高于散货门机的设备越来越受到市场欢迎，它是自身带卸料系统的门机，既可以作为专业设备用抓斗卸粮食、煤炭、木片等散杂货，又可以作为普通门机用吊钩装卸木材、钢板、设备等件杂货，由于使用抓斗时可以不启动旋转机构，生产效率大幅提高。目前，按货种分主要有粮食带斗门机、煤炭带斗门机、木片带斗门机等，其中煤炭、矿石带斗门机需求最多，但随着港口码头的普遍使用和靠港船舶的大型化趋势，使用者又提出进一步提高装卸效率和大吨位、大幅度的要求。因此，为适应不同码头、不同船型、不同生产率的要求，需要开发不同吨位的带斗门机。30万吨级船型宽60m，装卸设备至少需要50m幅度，而要实现高效装卸，生产效率至少要在1000t/h以上，可选设备有1500t/h的桥式抓斗卸船机、70t-50m通用门座起重机、1500t/h高效带斗门座起重机等。
综合比较：桥式抓斗卸船机造价高；通用门座起重机速度快、幅度大，对设备和司机要求高；带斗门座起重机介于两者之间，通过设计可靠高效的卸料系统，自带漏斗，减少旋转，能够降低工作循环时间，并通过半自动化控制，降低司机工作强度。因此，选用带斗门座起重机性价比高，可满足30万吨级船型装卸需求。
1 国内外研究现状
2004年开始，为了适应多变的货种，国内各大港口开始采用带斗门机，但基本是16t的煤炭、木片、粮食、矿石带斗门机，随着船舶大型化趋势，25t带斗门机也逐渐增多。带斗门机大部分用来卸煤炭和矿石，中储粮等大型作业则需要专业卸载大豆的带斗门机，而金海纸业、王子纸业、金东纸业、森博纸浆等造纸企业则需要卸木片的带斗门机和自身有发电业务需要的煤炭带斗门机。大豆流动性好，卸料系统易设计；煤炭品种多，烟煤潮湿流动性差，易堵料，矿粉黏性大，流动不畅，卸料系统需要有针对性的设计；木片没有流动性，是设计难度较大的带斗门机。
目前国内最大的带斗门机为40t，用来装卸煤炭、矿石，生产效率达到1000 t/h。
我国是世界上设计制造带斗门机的主要国家。国外带斗门机使用较少，日本三菱和住友曾经设计装卸两用机，但都是连续装卸式，不使用抓斗吊具。在我国港口，散货码头货种一般是多变的，必须适应货种，因此要求设备具备多功能性，带斗门机就具备该功能，而连续式限制货种，更多适用于货种单一的专业化码头。
30万吨级码头目前在国际上不多，所以用于装卸货物的设备也较少，目前尚未有55t-50m大型带斗门机设备。随着40万吨级矿石船正式在国内亮相，与其匹配的装卸设备也必将投入使用。抓斗卸船机高效、可靠；带斗门机高效、性价比高，灵活性强，可卸不同的散货、件杂货、集装箱。
目前，不同货种、不同吨位和幅度的带斗门机较多，国内粮食系统多选用带刮板机的带斗门机，效率高、环保效果好。部分港口使用盖带式的码头输送系统，使得装卸过程全封闭，有效地防止撒漏和粉尘。大型带斗门机具备可靠、安全、高效、节能等性能，适应各大港口的需要，为港口的快速发展和国家“一带一路”倡议提供有效的支撑。
2 创新点和关键技术
2.1 产品性能突破
传统的同类型产品生产效率都在900t/h以下，不能满足停靠20万吨级以上船型的大宗散货港口的装卸需要，制约带斗门座式起重机产品的发展。55t-50m带斗门座式起重机抓斗起重量为55t，吊钩起重量为80t，最大幅度为50m，额定生产能力为1500t/h，具有起吊质量大、大型化、作业时间短，物料不易撒落，漏斗和码头皮带机不易磨损、机电配套件选型简单，扬尘小，环保，作业高效化等优点。通过优化主要技术参数，降低漏斗至码头面的垂直高度，创新设计门架结构，减少作业循环时间，提高工作效率。多项技术指标均取得实质性突破。DM5550带斗门座式起重机实物图和设计图见图1。
2.1.1 主要技术参数优化
为满足30万吨级船舶的装卸要求，55t-50 m带斗门座式起重机在技术指标上取得突破。30万吨级船舶型宽58m，型深30m，要对这样的大型运输船进行装卸作业，一方面工作幅度和起升高度要得到满足，另一方面为达到良好的经济效益，影响工作效率的起重量、工作速度2大因素也要得到有力保证。通过四连杆优化设计，确定合理的臂架、象鼻梁、大拉杆尺寸参数，以满足设计目标。具体主要参数：
（1）抓斗工况起重量为55 t，吊钩工况起重量为80 t。
（2）满载起升速度为85 m/min，空载起升速度为130 m/min，变幅速度为80 m/min。
（3）最小幅度为13 m，最大幅度为50 m，抓斗下起升高度为30 m。
（4）装卸效率达到1 500 t/h。
2.1.2 门架结构设计
传统的带斗门机用来支撑和布置卸料系统的门架结构有2层梁，上层梁固定有可移动的伸缩梁，漏斗固定在伸缩梁上，工作时，漏斗随伸缩梁同步移动到船舱上方，为使船空载时卸料系统不碰到船的最高点，料斗的最下端要高出船的最高点至少2m，因此起升行程过长，从而使作业循环时间长、效率低。
55t-50m带斗门座式起重机设计内凹式单层门架结构，将料斗布置在门架横梁的凹槽内，卸料系统悬挂在门架下方，使带斗门机的重心位置降低，提高整机稳定性，而且还降低门架自重，降低能耗，节约资源。门架结构实物图和设计图见图2。
卸料系统新旧型式对比图见图3。作业时，漏斗总体由原来在船舶的上部改进为在船舶的侧面，从而降低抓斗的起升行程，减少单个工作循环的时间，提高工作效率。对于抓斗下起重量到达55 t的大型抓斗，漏斗口的长宽尺寸要很大，漏斗上口宽度为9m，同时为保证物料顺利流出，漏斗壁的倾斜角度不小于60°，这就决定漏斗的整体高度不小于6m，加上漏斗下口与船舶甲板之间的安全距离，则可减少8m以上的起升工作行程，减少工作循环时间为11.3s。
2.1.3 生产率计算
DM 5550带斗门座式起重机工作循环图见图4。DM 5550与DM 4043带斗门座式起重机工作生产率对比见表1。
55 t 50 m带斗门座式起重机通过多种方式缩短单个工作循环时间，取得显著效果。DM 5550带斗门机单个循环时间为78.4 s，抓斗自重为20 t，生产效率为1 607 t/h，达到设计目标值。
与DM 4043带斗门座式起重机相比，DM 5550带斗门座式起重机的生产效率提升40%。若考虑到传统的产品机构工作速度低于DM 5550带斗门座式起重机速度，则生产效率的提升将超过40%。
2.2 四电机同步起升机构
创新设计了独立驱动、同步控制的带斗门座式起重机起升机构。常规四索抓斗门机采用双联卷筒和双电机驱动。本产品因为起重量大、起升速度快，若采用传统的设计方式，单个电机的功率将达到500 kW以上，这样的机构异常庞大笨重，也不利于整体布置。
55 t 50 m带斗门座式起重机创新设计四电机独立驱动起升机构，这种设计对控制有较高的要求，稍有不慎就会造成抓斗撒料，影响工作效率，也会造成环境污染。因此，在控制上对电机采用速度闭环和位置闭环双闭环控制模式，通过安装在电机高速轴的增量编码器，实现变频器对电机的速度闭环控制，达到0.01%的控制精度。在此基础上，利用PLC采集增量编码器的脉冲数，在吊钩或抓斗工况下，实时比较2台支持电机和2台开闭电机的编码器脉冲偏差，并通过PLC控制变频器进行实时速度调整，以实现2台支持电机和2台开闭电机的绝对同步。起升机构布置图见图5。起升机构主要参数见表2。
3 1500t/h高效带斗门座式起重机特点
（1）为港口战略规划提供新的选择。
优化设计整体结构，将带斗门座式起重机的作业能力提升至新的高度，可以满足大宗散货的作业需求，同时具有通用门座式起重机的功能，进行件杂货作业的适应能力强、效率高、可靠性好，具备抵御经济波动、市场风险的能力，为港口物流行业的稳定发展提供坚实基础。
（2）性价比高，使用成本低。
55 t 50 m带斗门座式起重机卸船效率达到1 500 t/h，作业最大幅度为50 m，同等作业能力的前伸距在50 m以上的桥式抓斗专业卸船机，每台自重大于2 000 t，造价高于4 000万元，对码头的轨距、承载要求和造价要求都很高，这对于通用、多用途的港口来说，投资大，利用率低。高效带斗门机对码头要求低，造价低，对不同船型、不同货种均适用。此外，采用悬挂托辊式出料系统，避免大流量物料对地面皮带机的冲击，降低设备的使用维护成本。
（3）推动行业的技术进步。
55 t 50 m带斗门座式起重机突破一系列关键核心技术，并结合产品的技术参数要求，从结构、工艺、安全、智能控制和产业化等方面设计研发高效带斗门座式起重机。该产品将引领我国港口作业装备制造业向大吨位、大幅度、智能化以及环保节能方向发展，促进传统装备的更新换代和产业结构调整，实现行业的跨越式发展。此外，该产品大幅提升我国港口作业装备的国际竞争力，为“一带一路”倡议下的港口提供大型高效智能化作业装备。
