薛闖,喬軍凱,劉新波
(河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司,河南長垣 453400)
軌道式集裝箱門式起重機(RMG)具有節(jié)約成本、環(huán)保高效、轉(zhuǎn)運方便、免維護程度高等優(yōu)勢正逐漸替代輪胎式集裝箱門式起重機(RTG),RMG因其高效化的特點,使用比較頻繁,通常在滿載和額定速度下連續(xù)工作,并且能適應(yīng)工作環(huán)境強化的集裝箱裝卸,隨著RMG的自動化、智能化、系列化、無人化的港機發(fā)展方向,這些都對起重機的結(jié)構(gòu)布置有了更高的要求,在設(shè)計過程中應(yīng)考慮其具有足夠的強度、合適的剛度和抗風(fēng)震、防傾覆的穩(wěn)定性。馬世輝等[1]對RMG門架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計及有限元分析,得出鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和安全性對起重機的工作性能起決定性作用的結(jié)論。丁敏等[2]通過有限元分析軟件對起重機的整機結(jié)構(gòu)進行驗證比較,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理性對起重機的安全、效率有著積極意義。
以某內(nèi)河港區(qū)堆場用軌道式集裝箱門式起重機為例,起重機的設(shè)計和制造滿足港口連續(xù)循環(huán)裝卸滿載集裝箱的要求,并保證天工駕駛員嚴格按照操作流程并及時保養(yǎng)維護的情況下,起重機每日連續(xù)作業(yè)時間為20 h,有效工作天數(shù)為330 d,使用壽命不小于30 a,可供裝卸ISO標(biāo)準的20、40 ft集裝箱,軌道面以上滿足堆三過四的高度要求,其基本參數(shù)如表1所示。
表1 軌道集裝箱門式起重機基本參數(shù)
起重機主要金屬結(jié)構(gòu)為雙箱型結(jié)構(gòu),主梁采用偏軌雙梁箱型結(jié)構(gòu),應(yīng)具有足夠的強度和剛度,能消除軌道不平整對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,并防止結(jié)構(gòu)振動。結(jié)構(gòu)采用Q355B鋼材焊接而成,不能焊接的部位優(yōu)先采用高強度螺栓聯(lián)接,主梁和支腿及支腿和下橫梁之間用高強度螺栓連接,高強度螺栓應(yīng)當(dāng)按規(guī)定力矩使用扭力扳手緊固螺母,結(jié)合面應(yīng)接觸均勻,對接縫處出現(xiàn)的間隙應(yīng)用耐老化的填料填充,以防滲水,各法蘭處的角焊縫均按要求采用雙面連續(xù)焊。門架一側(cè)采用剛性支腿,另一側(cè)采用柔性支腿,通過柔性支腿可以允許整機鋼結(jié)構(gòu)有一定偏斜量,避免發(fā)生啃軌,如圖1所示。
從圖1中可以看出,此起重機有以下特點:
1)起重機跨度為30 m,兩端懸臂總長為28.5 m,為了運輸和安裝方便,需要對主梁解體制作;
2)40 ft集裝箱長度為12.2 m,為順利轉(zhuǎn)運集裝箱,主結(jié)構(gòu)采用U形支腿,受力狀態(tài)好,門腿內(nèi)的寬度方向凈空間為15 m;
3)懸臂一端為18.5m,另一端為10 m,主結(jié)構(gòu)增加馬鞍架和斜拉桿改善主梁的水平剛度和垂直高度;
4)大車運行機構(gòu)配有防風(fēng)鐵楔、液壓夾軌器等防風(fēng)裝置,保證起重機在工作狀態(tài)的最大風(fēng)速20 m/s下起重機不發(fā)生滑移,起重機還設(shè)置有錨定裝置和防風(fēng)系纜裝置,大車移動到錨定裝置后將錨定插板放下能滿足非工作狀態(tài)下最大風(fēng)速45 m/s的強風(fēng)作用下起重機不滑移、不傾覆。
根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》[3],當(dāng)起升機構(gòu)在起升或者制動這種不穩(wěn)定的運動狀態(tài)下,要考慮起升機構(gòu)的動載和沖擊系數(shù)及小車和整機制動產(chǎn)生的慣性載荷。
由滿載起升速度Vh=30 m/min=0.5 m/s,得:
1)起升沖擊系數(shù)φ1=1+α=1+0.05=1.05;
2)按軌道集裝箱機械的動力特性,起升狀態(tài)級別按HC3級別,取β2=0.6,工作載荷引起的動載系數(shù)φ2=φ2min+β2·Vh=1.2+0.6×0.5=1.5;
3)考慮機構(gòu)啟動或制動時力突然變化結(jié)構(gòu)的增大系數(shù)φ5=1.2。
整機結(jié)構(gòu)自重PG=180 t,包含大車運行機構(gòu)、結(jié)構(gòu)及附屬件的質(zhì)量。吊具下額定載荷PQ=40.5 t,小車自重Gxc=25 t,下旋轉(zhuǎn)吊具自重Gd=12 t,得到起升基本載荷PQ+Gxc+Gd=40.5+25+12=77.5 t,試驗載荷PS=1.25PQ=1.25×40.5=50.625 t。
小車吊運集裝箱在水平面內(nèi)進行橫向或者縱向移動時,由整機機構(gòu)產(chǎn)生的水平方向的慣性力PH=φ5ma,其中:m為運行部分的質(zhì)量;φ5為系數(shù),考慮起重機起升機構(gòu)制動力突然變化時的動力系數(shù),1≤φ5≤2,平均取φ5=1.5;a為起升或制動時小車運行或大車運行的加速度。由V小車=30 m/min=0.5 m/s,V大車=40 m/min=0.67 m/s,由起重機設(shè)計手冊表1-3-7[4]得:a小車=0.15 m/s2;a大車=0.2 m/s2。
得到軌道式集裝箱起重機慣性力計算表,如表2所示。
表2 慣性力計算表 N
風(fēng)載荷一般為起重機作業(yè)狀態(tài)下的最大風(fēng)力和非作業(yè)狀況下極限天氣的最大風(fēng)載荷,在計算風(fēng)載荷時,應(yīng)按照當(dāng)?shù)丨h(huán)境最不利條件對起重機結(jié)構(gòu)的影響,計算公式為
式中:C為風(fēng)力系數(shù),由結(jié)構(gòu)件的長細比查表1-3-11,取C=1.9;Kh為風(fēng)力高度變化系數(shù),考慮軌道式集裝箱門機的整機高度,按結(jié)構(gòu)頂部取Kh=1.2;q為計算風(fēng)壓,N/m2,工作狀態(tài)風(fēng)壓q工作=0.625V2=0.625×202=250 N/m2,極限天氣風(fēng)壓q非工作=0.625V2=0.625×402=1000 N/m2;A為總迎風(fēng)面積,m2;主梁、支腿及馬鞍等主要結(jié)構(gòu)件按最大迎風(fēng)面積產(chǎn)生的風(fēng)載荷,小車、吊具及吊重引起的風(fēng)載荷垂直于大車軌道方向作用于相應(yīng)結(jié)構(gòu)連接點處。主梁、支腿、馬鞍等主要迎風(fēng)結(jié)構(gòu)件為箱型結(jié)構(gòu),經(jīng)過計算沿大車運行方向迎風(fēng)面積為210 m2,沿小車運行方向的迎風(fēng)面積為120 m2。代入上式,得到P工作=119700 N,P非工作=273600 N。
軌道式集裝箱起重機在連續(xù)作業(yè)時會有很多工況,考慮起重機的工作環(huán)境風(fēng)載荷、工作狀況滿載及空載、小車位置跨中及極限的不同,得到的結(jié)果自然不一樣,我們主要取起重機的極限狀態(tài)進行分析即可。各工況描述如表3所示。
表3 各工況描述
軌道式集裝箱起重機主要結(jié)構(gòu)件包括2件主梁、2件剛性支腿、2件柔性支腿、2件馬鞍、2件拉桿、2件下橫梁、2件端梁及走臺欄桿、梯子平臺等附屬結(jié)構(gòu)件,考慮到計算時間的長短,整機對網(wǎng)格的精度要求不高,在保證誤差不大的前提下,盡可能減少單元數(shù),確定模型坐標(biāo)系,如圖2所示。
圖2 有限元模型
圖3 滿載小車位于跨中靜剛度
圖4 滿載小車位于左極限靜剛度
圖5 滿載小車位于右極限靜剛度
針對結(jié)構(gòu)件材料的拉伸、壓縮和彎曲許用應(yīng)力,按不同的載荷組合規(guī)定相應(yīng)的安全系數(shù)和基本許用應(yīng)力[5],如表4所示。
表4 材料許用應(yīng)力
其中,[σⅡ]、nⅡ為有風(fēng)工作工況下的許用應(yīng)力和安全系數(shù);[σⅢ]、nⅢ為非工作工況下的許用應(yīng)力和安全系數(shù)[6]。材料的其它力學(xué)特性:材料密度ρ=7.85×10-6kg/mm3;彈性模量E=2.06×105MPa;泊松比ν=0.3;剪切模量G=81000 N/mm2。
在工作載荷下,工況一、工況二、工況三整機模型按簡支梁約束,在極限風(fēng)速下,工況四、工況五整機處于錨定狀態(tài),4個支腿全部約束。
對于軌道式門式起重機,跨度L=30000 mm,有效懸臂L1=15000 mm,L2=5000 mm,根據(jù)靜剛度計算工況,計算中不考慮結(jié)構(gòu)自重、動載系數(shù)和放大系數(shù),剛度、強度計算結(jié)果如表5、表6所示。
表5 靜剛度計算結(jié)果
表6 強度計算結(jié)果
表5中靜剛度均滿足要求,符合國家標(biāo)準。
表6中所有工況強度均滿足許用應(yīng)力要求,符合國家標(biāo)準,且風(fēng)力作用對鋼結(jié)構(gòu)強度影響不大。 結(jié)果云圖如圖6圖~10所示。
圖6 滿載小車跨中整機應(yīng)力圖
圖7 滿載小車左極限整機應(yīng)力圖
圖8 滿載小車右極限整機應(yīng)力圖
圖9 空載小車順大車方向整機應(yīng)力圖
圖10 空載小車順小車方向整機應(yīng)力圖
AYSYS用于起重機的力學(xué)分析,驗證其剛度、強度是否滿足要求,大大降低了計算工作量,結(jié)果準確可靠,為實際的工程應(yīng)用提供了理論支持。本文從不同的載荷分布情況進行分析,得到不同工況作業(yè)時的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖,并計算出最大應(yīng)力和最大變形量,計算整體結(jié)構(gòu)和其部件的應(yīng)力和應(yīng)變是否在材料的許用范圍內(nèi),驗證其結(jié)構(gòu)是否合理,是否滿足強度與剛度的要求,并針對其不足問題進行修改。從分析結(jié)果不難看出,應(yīng)力集中大都分布在主梁與支腿連接處,符合實際使用效果,在后期設(shè)計和制造過程中可以通過增加支腿腹板的厚度、主梁筋板的寬度來增加其整體強度。