集叉式正面吊的改造設計

□ 李俊哲

營口港務集團有限公司 遼寧 營口 115007

集叉式正面吊的改造設計

□ 李俊哲

營口港務集團有限公司 遼寧 營口 115007

介紹了集叉式正面吊的改造，在改造中將原正面吊的集裝箱吊具卸下，安裝新設計的鋼坯專用吊具，并連接已有的鋼坯夾具進行裝卸鋼坯作業。通過對吊具規格、強度、剛度、穩定性進行計算和校核，確認滿足使用要求。改造后的集叉式正面吊在裝卸鋼坯過程中運行良好。

正面吊；裝卸；技術改造

1 改造背景

裝卸鋼坯的任務繁忙，而港區內專用機械設備不足，導致裝有鋼坯集中到港的車輛無法快速接卸。為了提高裝卸效率，增加鋼坯裝卸設備，筆者單位擬對一臺長期閑置的集叉式集裝箱正面吊進行改造，使之用來裝卸鋼坯。

為了有效利用港口裝卸機械與船舶起貨設備，提高裝卸作業質量和效率[1]，筆者設計制作了一臺集叉式正面吊的鋼坯專用吊具，替換原集叉式正面吊的集裝箱吊具，并在該吊具下部連接已有的鋼坯夾具，這樣該吊車就可以用于鋼坯的裝卸。

2 設備參數

起重機正常工作時允許一次起升的最大重力稱為額定起重力[2-3]，該集叉式正面吊的額定起重力為400 kN。鋼坯單件重力為300 kN，長為6～8 m，厚為250～300 mm。減掉已有的鋼坯夾具約70 kN的自重，經過測算，設計制造的鋼坯專用吊具自重要控制在30 kN之內。

集叉式正面吊如圖1所示，所設計的連接鋼坯專用吊具如圖2所示。

圖1 集叉式正面吊示意圖

圖2 鋼坯專用吊具示意圖

3 專用吊具設計計算

3.1 受力分析及強度計算

機械裝備的制造是一個極其復雜的過程，一方面要深入總結和利用現有的豐富實踐經驗，另一方面還需要進行大量的科學試驗和論證，并結合運用相關領域的最新科學成就，以解決制造過程中的各種問題，并優化整個生產系統[4]。改進過程將集叉式正面吊的兩個貨叉直接叉進鋼坯專用吊具的叉口處，側部的液壓油缸連接到鋼坯專用吊具側端吊耳，調節吊具左右移動。下部吊耳通過軸連接到已有的鋼坯夾具，吊耳間距由實際測量集叉式正面吊連接點確定。吊具接觸集叉車上叉面處設計滾輪，方便調整吊具的方位。

強度是指材料或構件抵抗破壞的能力[5]，該集叉式正面吊鋼坯吊具的長度方向（X向）和寬度方向（Y向）均受力，要求該集叉式正面吊鋼坯專用吊具長度方向（X向）和寬度方向（Y向）之和滿足強度載重要求。因此，對集叉式正面吊鋼坯專用吊具的長度方向（X向）和寬度方向（Y向）分別進行受力分析和強度計算，來確定校核型材的截面規格。

通過實地測量，集叉式正面吊的兩個貨叉中心間距為2 149 mm，鋼坯專用吊具的下部吊耳與鋼坯夾具吊耳連接，其間距根據實際鋼坯夾具的規格確定為1 300 mm。

鋼坯單件寬為1.2～1.7 m，長為6～8 m，厚為0.25 m，自重不超過300 kN。設鋼坯專用吊具自重為30 kN，下部連接已有的鋼坯夾具自重為70 kN，取動載因數為1.8。鋼坯專用吊具框架全部由Q235B鋼焊接而成，材料要符合國家標準GB/T 700—1988《普通碳素結構鋼技術條件》。

焊接梁通常多應用于載荷和跨度都較大的場合，其截面型式一般分為工字型和箱型。因為箱型梁的截面是封閉的，具有較好的抗扭曲能力和抗腐蝕能力，所以一般重型、大跨度橋式起重機的橋梁，都采用箱型梁結構[6]。本鋼坯專用吊具主梁采用箱型梁結構。

Q235B鋼的屈服強度σs=235 MPa，取安全因數n=2.5，則許用應力為：

長度方向（X向）受力分析如圖3所示。

圖3 鋼坯專用吊具X向受力分析及截面圖

吊具額定起重力G=400kN，取動載因數K=1.8。

吊具向下受力為：

經測量，集叉叉距為2 149 mm，鋼坯夾具上吊耳間距為1 300 mm。

因A點受最大力矩，故吊具最大受彎距離為：

X向吊具所受最大彎矩為：

吊具主梁采用箱型結構，翼板厚u=4 cm,腹板厚m=2 cm，b=50 cm，h=35 cm，則截面抗彎慣性模量為:

寬度方向（Y向）受力分析如圖4所示。

Y向間距L2=1 020 mm=102 cm，則Y向力矩為：

圖4 鋼坯專用吊具Y向受力分析和截面圖

翼板厚 u=4 cm，腹板厚 m1=1 cm，m2=1.2 cm，b=270.2 cm，h=35 cm，則截面抗彎慣性模量為：

長度方向（X向）和寬度方向（Y向）抗彎應力之和為：

因此，σ≤[σ]，強度滿足要求。

該吊具的外形尺寸為3 652 mm×1 203 mm×754 mm，實際自重為29 kN，整個吊具抗剪切受力主要由腹板承載。

最大剪切力為：

腹板面積為：

最大剪應力為：

許用剪應力為：

因此，τmax≤[τ］，結構強度滿足要求。

根據以上計算，所設計的鋼坯專用吊具選用Q235B鋼滿足強度要求。

設計的箱型梁有很多優點，概括如下。

（1）截面是封閉的，具有較好的抗扭曲能力和抗腐蝕能力。

（2）塑性和韌性好，適宜于承受振動和沖擊載荷。

（3） 強度高，自重輕[7]。鋼材容重與強度的比值一般小于混凝土和木材，因此箱型梁的質量輕。

（4）結構簡單，便于機械化制造，精確度較高，安裝方便，且是工程結構中工業化程度最高的一種結構。

（5）施工較快，可盡快發揮投資的經濟效益。

3.2 穩定性設計

穩定性要求就是要求受壓桿件不能喪失穩定[8]。該吊具由Q235B鋼板焊接組成，在受力處增設筋板，增大吊具整體剛度，箱型吊具局部穩定性和整體穩定性滿足要求。

3.3 底部滾輪設計計算

對轉動軸的結構進行疲勞分析和優化設計，進而提高轉動軸的安全性和可靠性[9]。該鋼坯專用吊具的底部對稱設計安裝了8個圓柱滾輪,使吊具在集叉叉面上自由滾動，可調整吊具的方位。

總載荷P=720 kN，則每個滾輪承載載荷為：

每個滾輪兩端由2個軸承承載，每個軸承承載載荷為：

軸的設計和其它零件的設計相似，包括結構設計和承載強度校核兩方面的內容[10]。選用φ50 mm軸,軸心間距L=15.5 cm，軸受均布載荷。

軸彎曲截面模量為：

軸所受彎矩為：

則：

選擇40Cr鋼材質，取安全因數n=2.5，屈服強度σs=785 MPa，許用應力為：

因此σ≤[σ]，彎曲強度滿足要求。

剪應力計算時計算軸兩端受力。

剪力為：

受力面積為：

最大剪應力為：

許用剪應力為：

因此，τmax≤[τ］，剪切強度滿足要求。

4 結束語

經過不斷測算驗證，該正面吊用鋼坯專用吊具的強度、剛度、穩定性均滿足使用要求。經過多年的運行使用，改造后的集叉式正面吊在裝卸鋼坯的作業中運行良好，鋼坯專用吊具未出現變形、開焊、斷裂等現象，始終保持完好。這項改造工程彌補了港內裝卸鋼坯專用機械不足的情況，為公司解決了生產上的難題，并節省了成本。

[1] 鐘永祺，葛中雄，傅俊民，等.港口裝卸工屬具[M].北京：人民交通出版社，1991.

[2] 寇長青.工程機械基礎[M].成都：西安交通大學出版社，2001.

[3] 張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[4] 柯明揚.機械制造工藝學[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.

[5] 鄒建奇，崔亞萍，田偉.材料力學[M].北京：北京郵電大學出版社，2013.

[6] 王云鵬.焊接結構生產[M].北京：機械工業出版社，2014.

[7]劉聲揚，王汝恒.鋼結構——原理與設計[M].2版.武漢：武漢理工大學出版社，2005.

[8] 陳長征，劉貴立，羅躍綱，等.工程力學（下冊）[M].北京：科學出版社，2002.

[9] 曹翰清,龔天明,趙震.基于有限元分析的直驅風力發電機轉動軸優化設計[J].機械制造,2016,54（ 1）：40-42.

[10]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].7版.北京：高等教育出版社，2001.

Retrofit design of V-shapecontainer reach stacker wasintroduced.Accordingtothereconstruction the original spreader on the reach stacker should be detached with installation of the new designed special spreader for billet which would connect theexistingbillet fixturefor loadingand unloadingoperationsof thebillet.Through calculation and verification of specifications,strength,stiffness and stability of the spreader,it is confirmed that thedesign can satisfy theoperatingrequirement.Thereconstructed V-shapereach stacker workswell in loadingand unloadingoperationsfor thebillet.

Reach Stacker；Loading and Unloading；Technical Innovation

TH123

A

1672-0555（2017）03-037-04

2017年7月

李俊哲（1983—），男，本科，工程師，主要從事港機改造、機械設計制造等工作

（編輯：啟 德）