摘 要

中小型散货码头散货物料堆高作业是港口散货物料流通环节普遍存在的难题之一，对于这一难题，目前尚未有一种较好的解决方案，特别是没有能有效解决该难题的一种多功能流动式专业化散货堆高设备。本课题在分析中小型散货码头散货物料堆高工艺及堆高作业机械研发现状的基础上，创新性地提出了一种新型流动式散货堆高机，采用理论分析设计、三维建模和EDEM离散元仿真分析等方法，对该新型堆高机的关键部件链斗提升系统进行了科学合理设计。论文的主要内容包括：

1）散货物料堆高工艺及堆高作业机械研发现状分析。通过查阅国内外文献资料，对国内中小型散货码头散货物料堆高工艺和堆高作业机械的发展现状进行系统性分析，为新型流动式散货堆高机总体功能设计提供有效参考。

2）新型流动式散货堆高机总体设计。根据中小型散货码头散货物料堆高作业需求，完成新型流动式散货堆高机总体设计；在给定的工作条件和主要技术参数下，完成1000t/h流动式散货堆高机总体设计及计算。

3）链斗提升系统设计及其三维建模仿真。在完成链斗提升系统整体布置及结构型式设计的基础上，对提升效率为1000t/h的链斗提升系统进行详细设计，具体包括链传动、驱动装置、支承机架等关键零部件的设计计算，并利用SolidWorks软件对该链斗提升系统进行了三维建模仿真。

4）链斗提升系统作业过程EDEM仿真分析。利用离散元仿真软件EDEM，建立了链斗提升系统离散元分析模型，进行链斗挖料、物料提升和卸料过程的运动仿真，仿真结果表明本文设计的链斗提升系统具有可行性，提升效率可以达到预期值。

本课题开发的新型散货堆装机对中小型散货码头物料堆高设备进行了改进和创新，链斗提升系统的设计和仿真研究对斗式提升机的工程设计具有重要参考价值。

关键词：堆高机；链斗提升机；散粒物料；离散元；EDEM

Abstract

The bulk cargo bulking operation of small and medium-sized bulk cargo terminals is one of the common problems in the circulation of bulk cargo materials at the port. For this problem, there is currently no good solution, especially the lack of a kind of multi-functional mobile bulk specialized equipment that can effectively solve the problem. Based on the analysis of the status quo of Ramp;D of high bulk materials and high stacking machinery for small and medium-sized bulk cargo terminals, this project innovatively proposes a new type of mobile bulk cargo stacker, which adopts theoretical analysis and design and three-dimensional modeling. And the EDEM discrete element simulation analysis method, scientifically and rationally designed the chain elevator lifting system of the key components of this new type of stacker crane. The main contents of the thesis include:

1) Analysis of current status of Ramp;D of high-tech and high-rise working machinery for bulk materials. By consulting the domestic and foreign documents, this paper systematically analyzes the development status of the high-tech and high-stack working machinery for bulk bulk materials in domestic small and medium-sized bulk cargo terminals, and provides an effective reference for the overall functional design of the new mobile bulk cargo stacker.

2) The overall design of a new type of mobile bulk stacker. The overall design of the new type of mobile bulk stacker was completed according to the operational requirements for the bulk cargo bulk of small and medium-sized bulk cargo terminals; under the given working conditions and major technical parameters, the overall design and calculation of the 1000 t/h bulk type mobile stacker was completed.

3) Chain hoisting system design and its 3D modeling and simulation. On the basis of completing the overall layout and structure design of the chain bucket lifting system, the chain bucket lifting system with a lifting efficiency of 1000t/h is designed in detail, including the design and calculation of key components such as chain transmission, driving device, and support frame. , and use SolidWorks software to carry out a three-dimensional modeling simulation of the bucket lifting system.

4) EDEM simulation analysis of operation process of chain hoist system. Discrete element simulation software EDEM was used to establish the discrete element analysis model of chain hoisting system. The simulation of bucket excavation, material lifting and unloading was performed. The simulation results showed that the chain hoisting system designed in this paper was feasible and the efficiency was improved. The expected value can be achieved.

The new bulk cargo stacker developed in this project has improved and innovated the equipment for stacking high- and medium-sized bulk cargo terminals. The design and simulation study of the chain bucket lifting system has important reference value for the engineering design of the bucket elevator.

Keywords: Stacker; Chain Hopper; Bulk cargo; Discrete Element; EDEM

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 课题研究目的及意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 散货堆场和库内堆存工艺 2

1.3.2 新型散货堆高机的研发现状 4

1.3.3 链斗提升机发展现状 5

1.3.4 离散元素方法的发展现状 6

1.4 设计的基本内容和目标 6

1.5 拟采用的技术方案及措施 7

第2章 流动式散货堆高机总体设计 8

2.1 流动式散货堆高机总体方案 8

2.1.1 流动式散货堆高机功能需求 8

2.1.2 流动式散货堆高机总体组成 9

2.2 1000t/h流动式散货堆高机总体设计计算 9

2.2.1 设计技术参数 9

2.2.2 1000t/h堆高机总体设计 10

2.2.3 整机载荷计算校核 11

2.3 本章小结 14

第3章 链斗提升系统设计及其三维建模仿真 15

3.1 链斗提升系统整体组成 15

3.2 1000t/h链斗提升系统设计计算 16

3.2.1 载荷计算 16

3.2.2 链传动设计计算 17

3.2.3 驱动装置设计计算 25

3.2.4 支承机架设计计算 25

3.3 链斗提升系统三维建模仿真 28

3.3.1 三维建模软件SolidWorks 28

3.3.2 关键零部件三维模型 28

3.3.3 链斗提升系统三维模型 30

3.4 本章小结 31

第4章 链斗提升系统作业过程EDEM仿真 32

4.1 EDEM离散元分析方法简介 32

4.2 链斗提升系统离散元分析模型 33

4.2.1 链斗提升系统EDEM仿真三维模型 33

4.2.2 模型的前处理 33

4.3 物料输送过程EDEM仿真分析 37

4.3.1 链斗挖料过程仿真及分析 37

4.3.2 物料提升过程仿真及分析 38

4.3.3 链斗卸料过程仿真及分析 40

4.4 本章小结 40

第5章 设备经济性及环保评价 42

5.1 设备经济性分析 42

5.2 设备的环境影响评价 42

第6章 总结与展望 44

6.1 全文总结 44

6.2 进一步工作展望 45

参考文献 46

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

随着国民经济及对外贸易的飞速发展，我国已成为港口装卸运输的大国。在所有途径港口流通的货物中，煤炭、矿石、水泥、化肥、粮食等大宗干散货在港口吞吐量中占有越来越重要的地位，近年来，我国大宗干散货的港口吞吐量已占总吞吐量的一半以上^[1]。在港口散货物流领域，散货堆场和仓库是港口码头的重要资源，是港口货物运转的缓冲区，货物堆存、交接和保管都在堆场和仓库完成，货物进行水陆运输转换时一般都需要先进入港口堆场进行堆存，然后再通过水陆运输工具向外输送。堆存量和运转速率是衡量一个货物堆场的重要技术指标，堆存量的大小和运转速率的快慢对港口码头的吞吐量有显著影响，从而对港口的经济效益产生巨大影响^[2]。

散货堆场和仓库的管理目标是在堆存面积一定的条件下，使堆场和仓库的堆存量和货物的周转速度极大化，从而提高散货堆场和仓库的使用效率，使堆场和仓库所获效益最大。提高散货堆场和仓库的使用效率主要可以从两个方面进行，一是堆场和仓库堆存区域的合理划分和运用，即根据散体物料不同性质，将同一性质的物料堆放到同一区域，使物料堆放有序，从而提高物料的转运速度；另一方面，就是采用高效率的作业机械，提高单位面积堆存量和和单位时间物料的周转量，实现物料转运过程中高效率堆存和快速疏运。

当下对于大批散货物料的堆高，大型专业化港口主要采用斗轮堆取料机和悬臂堆料机等专业大型散货堆取设备。对于中小型散货码头堆场，为了以低成本运营，即使用多种物料通用的散货堆取设备，一般未购置专业大型散货堆取设备，而是采用自卸车将物料从码头前沿转运至堆场，然后采用装载机与挖掘机组合，或卸车平台与带式输送机组合进行场内或库内堆高。装载机与挖掘机组合的堆高工艺，利用装载机归堆，多台挖掘机在料堆上挖取底层物料并提升后进行堆高，该堆高方式存在能耗高、效率低、设备多且杂、堆场面积利用率低和燃油排放污染、费用高等问题。卸车平台与带式输送机组合的堆高工艺，采用自卸车爬上平台卸载物料至倾斜带式输送机上，倾斜带式输送机提升物料进行堆高，该堆高方式由于带式输送机的倾斜输送能力有限，为达到一定堆高高度，要求带式输送机的长度较大，导致设备移动灵活性差，并且卸料平台体积庞大，转场困难，自卸车爬上卸料平台将导致额外的自卸车自重提升能耗。总体来看，中小型散货码头堆场和库内堆高的这些工艺和设备堆高作业效率低、高度小、能耗高，已能不适应现代港口的发展与需求。

针对中小型散货码头散货物料堆高和装船或装车存在的问题，目前还没有一种好的解决方案，特别是没有能有效解决该难题的一种多功能流动式专业化散货堆装设备。因此，散货堆高作业已成为影响现代港口作业效率和码头能力的突出的瓶颈性环节。

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