李義明 聶飛龍

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋)的掛艙保護(hù)裝置用于實(shí)現(xiàn)在掛艙發(fā)生時(shí)緊急制動(dòng)動(dòng)作的觸發(fā)，以及對(duì)機(jī)構(gòu)制動(dòng)減速中鋼絲繩仍不斷增加的張力的緩沖。掛艙保護(hù)裝置按照結(jié)構(gòu)形式可分為下擺式、上擺式、油缸直推式3種[1]。

下擺式掛艙保護(hù)裝置由主框架(包括主工字鋼、豎直撐、斜撐桿與頂部耳板等)、搖臂、油缸等組成(見(jiàn)圖1)。主框架焊接在后大梁上形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，搖臂由油缸支撐并可繞主框架頂部的銷(xiāo)軸進(jìn)行一定范圍的旋轉(zhuǎn)，油缸同樣有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)與伸縮行程以適應(yīng)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。在正常情況下，在預(yù)設(shè)的油壓下掛艙保護(hù)裝置的搖臂處于固定位置支撐著滑輪穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.頂部耳板 2.豎直撐桿 3.搖臂 4.斜撐桿 5.掛艙油缸 6.油缸支座 7.鋼絲繩 8.后大梁 9.主工字鋼圖1 常規(guī)下擺式掛艙保護(hù)裝置

2 掛艙保護(hù)原理

當(dāng)起重機(jī)發(fā)生掛艙時(shí)，由于機(jī)構(gòu)的持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致鋼絲繩張力持續(xù)增加，掛艙油缸的推力也持續(xù)增加，當(dāng)達(dá)到掛艙時(shí)推力的閾值時(shí)(通常為額定載荷下推力的1.25倍)，緊急制動(dòng)開(kāi)關(guān)被觸發(fā)，機(jī)構(gòu)開(kāi)始減速，掛艙油缸溢流閥打開(kāi)，油缸回縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)減速過(guò)程中鋼絲繩收緊量的補(bǔ)償，避免鋼絲繩力的持續(xù)增大以及整機(jī)的過(guò)載與傾覆的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)安全的保護(hù)。掛艙保護(hù)裝置工作流程見(jiàn)圖2，掛艙油缸在鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中的位置見(jiàn)圖3。

圖2 掛艙保護(hù)裝置工作流程圖

1.掛艙油缸圖3 岸橋起升纏繞系統(tǒng)與掛艙油缸示意

3 掛艙保護(hù)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

新型掛艙保護(hù)裝置設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4，創(chuàng)新點(diǎn)如下。

1.頂部耳板 2.斜撐桿 3.搖臂 4.豎直撐桿 5.油缸支座 6.法蘭 7.后大梁 8.主工字鋼圖4 改進(jìn)的掛艙保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

3.1 主工字鋼端部法蘭連接

常規(guī)的主工字鋼與岸橋后大梁之間通過(guò)焊接連接，整體的制作工序?yàn)椋?/p>

(1)后大梁的裝配、焊接與涂裝。

(2)掛艙保護(hù)裝置組件的制作、焊接與涂裝。

(3)掛艙保護(hù)裝置與后大梁的拼裝焊接。由于掛艙保護(hù)裝置與后大梁在總裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)拼裝，因此二者裝配時(shí)首先需火攻清除后對(duì)接處的油漆以保證焊接質(zhì)量，待掛艙保護(hù)裝置的主結(jié)構(gòu)與后大梁焊接完成后再次涂裝。而后期動(dòng)火清除油漆的工序?qū)Τ杀尽⑹┕ば?、環(huán)保都會(huì)帶來(lái)不利影響。

為解決上述問(wèn)題，新設(shè)計(jì)采用法蘭連接代替焊接連接。采用法蘭板將3個(gè)主工字鋼端部連接成一體，再與后大梁上預(yù)制的對(duì)接法蘭通過(guò)螺栓連接。在后大梁、掛艙保護(hù)裝置制均制作完成后，僅需將二者對(duì)接后擰緊螺栓即可，既有利于各部件的制作，又便于整體的裝配，效率也得到顯著提升，還有效避免了后期動(dòng)火的問(wèn)題。

3.2 油缸支座的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

常規(guī)的油缸支座是耳板與箱型的墩子焊接而成，焊接量大，制作復(fù)雜。改進(jìn)設(shè)計(jì)中，采用2個(gè)大的耳板直接焊接在主工字鋼上形成油缸支座，簡(jiǎn)化了制作。

3.3 斜撐桿與油缸支座的一體化設(shè)計(jì)

常規(guī)的斜撐桿直接焊接主工字鋼的上翼緣板上，并在連接處設(shè)置十字插板加強(qiáng)接頭強(qiáng)度。在改進(jìn)設(shè)計(jì)中，將斜撐桿直接對(duì)接在油缸支座耳板上，省去了斜撐桿端部接頭與主工字鋼焊接的工作量。

3.4 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的處理

新型掛艙保護(hù)裝置還有其他一些細(xì)節(jié)的改進(jìn)。

(1)3個(gè)獨(dú)立的主工字鋼上翼緣板互相連接為整體，以控制整個(gè)框架在制作中的變形。

(2)3個(gè)主工字鋼之間通過(guò)橫隔板連接以增加側(cè)向剛度，橫隔板與主工梁腹板的連接處采用圓弧過(guò)渡以降低應(yīng)力集中。

(3)油缸支撐耳板與主工字鋼翼緣板對(duì)接下方設(shè)置對(duì)接筋板，以減輕翼緣板受耳板作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力(見(jiàn)圖5)。

1.主工字鋼上翼緣連接板 2.主工字鋼間的橫隔板 3.油缸支座耳板對(duì)筋板圖5 新方案改進(jìn)細(xì)節(jié)

(4)斜撐桿與支座耳板支撐處采用插入焊接形式(見(jiàn)圖6a)，以使用較長(zhǎng)的焊縫傳遞斜撐桿端部的軸力。

(5)豎直撐桿與工字鋼連接處取消原十字形加強(qiáng)板，在工字鋼翼緣板背部設(shè)置對(duì)接筋板并傾斜過(guò)渡至腹板上形成封閉空間(見(jiàn)圖6b)。

(6)在直腹桿、斜撐桿與頂部圓管連接處，取消耳板插入方管中間的構(gòu)造形式，改進(jìn)為耳板與方管側(cè)面對(duì)接的構(gòu)造形式(見(jiàn)圖6c)，以改善受力。

圖6 改進(jìn)方案中的構(gòu)造細(xì)節(jié)

4 掛艙保護(hù)裝置有限元分析

4.1 載荷分析

掛艙保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度核算按照掛艙發(fā)生的油缸壓力達(dá)到閾值的情況進(jìn)行，此時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼絲繩最大拉力Tmax為：

Tmax=1.25T

(1)

式中，T為鋼絲繩的額定工作拉力，滑輪進(jìn)、出鋼絲繩上的張力合成后作用在搖臂滑輪的軸上。

以上討論假設(shè)鋼絲繩處在滑輪平面內(nèi)、無(wú)側(cè)向偏角的情況。實(shí)際制作中，由于制作與安裝偏差，鋼絲繩可能會(huì)相對(duì)滑輪平面存在一定偏角。GB/T 3811-2008規(guī)定鋼絲繩與滑輪平面的最大偏斜角不超過(guò)5°[2]，內(nèi)部執(zhí)行時(shí)通?？刂圃撈遣怀^(guò)2.5°。當(dāng)2個(gè)搖臂上的鋼絲繩均偏向一個(gè)方向時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力最為不利。為此設(shè)定以下2個(gè)校核工況：

工況一：鋼絲繩張力Tmax，相對(duì)滑輪平面無(wú)偏角。

工況二：鋼絲繩張力Tmax，2個(gè)搖臂上滑輪鋼絲繩相對(duì)滑輪平面偏角為2.5°，且偏斜方向一致。

4.2 強(qiáng)度核算

建立掛艙保護(hù)裝置的有限元模型后進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將整個(gè)結(jié)構(gòu)上應(yīng)力較大的區(qū)域作為應(yīng)力觀察點(diǎn)列出，包括：斜撐桿與油缸支座連接處；斜撐桿與頂部耳板連接處；豎直撐桿與主工字鋼的連接處；豎直撐桿與頂部耳板連接處。

掛艙時(shí)的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表1，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為300 MPa，小于FEM規(guī)范第3類(lèi)工況規(guī)定的許用應(yīng)力[σ]=σs/1.1(對(duì)于材料Q355，[σ]=322.7 MPa)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度核算通過(guò)。

表1 掛艙保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果

4.3 疲勞核算

基于規(guī)范BS7608對(duì)結(jié)構(gòu)焊接位置進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核[3]。在一次工作循環(huán)中，當(dāng)?shù)蹙呗湓诩b箱上且尚未起升時(shí)，以及吊具將集裝箱置于集卡或中轉(zhuǎn)平臺(tái)時(shí)刻鋼絲繩的張力最小，Tmin≈0；當(dāng)集裝箱吊起以及小車(chē)吊著集裝箱運(yùn)行過(guò)程中，鋼絲繩受力最大：

T=(LS+LL)/8

(2)

式中，8為吊具鋼絲繩數(shù)量；LS為起升系統(tǒng)自重；LL為額定起升載荷。由于實(shí)際作業(yè)中的起吊重量是服從一定分布特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)值，在計(jì)算疲勞時(shí)可采用當(dāng)量疲勞載荷來(lái)表示實(shí)際統(tǒng)計(jì)值對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷效果。對(duì)于常規(guī)65 t岸橋，行業(yè)內(nèi)標(biāo)書(shū)通常將當(dāng)量疲勞載荷規(guī)定為L(zhǎng)LF=375 kN，對(duì)應(yīng)的鋼絲載荷為：

(3)

常規(guī)岸橋起升系統(tǒng)重量LS≈190 kN，因此Tfatigue=71 kN。

鋼絲繩張力Tmin、Tfatigue情況下觀察點(diǎn)的應(yīng)力分別為σmin、σmax。觀察點(diǎn)應(yīng)力幅計(jì)算為：

σr=σmax-σmin

(4)

根據(jù)Minior’s損傷理論，疲勞損傷計(jì)算為：

(5)

式中，nr為應(yīng)力幅σr下的根據(jù)S-N曲線算出的許用循環(huán)次數(shù)；N為實(shí)際岸橋作業(yè)的循環(huán)數(shù)。以利用等級(jí)為U8的岸橋?yàn)槔?，根?jù)規(guī)范FEM的規(guī)定[4]，N=4×106。表2列出了應(yīng)力較大的危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，可以看出，鋼絲繩偏角2.5°的情況下重要連接位置的疲勞強(qiáng)度均足夠，其余位置應(yīng)力較小疲勞安全裕度更加充足，未予列出。

表2 利用等級(jí)為U8的常規(guī)岸橋掛艙保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)傳統(tǒng)掛艙保護(hù)裝置改進(jìn)形成了一種新型的掛艙保護(hù)裝置。該方案從制作工藝出發(fā)，基于掛艙時(shí)各部件受力分析進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞進(jìn)行了校核，結(jié)果滿足規(guī)范要求。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)的掛艙保護(hù)裝置可為類(lèi)似產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供借鑒。