集裝箱正面吊大臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/李旭東 陸進(jìn) 張偉剛 錢一呈

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，集裝箱正面吊的作用越來(lái)越大，從近年來(lái)交通運(yùn)輸部公布的數(shù)據(jù)分析，10年來(lái)我國(guó)規(guī)模以上港口的集裝箱吞吐總量以年均 12.7%的速度增長(zhǎng)。集裝箱正面吊的發(fā)展，給集裝箱正面吊制造業(yè)提供了巨大的市場(chǎng)需求，對(duì)集裝箱正面吊的性能也提出更高要求。而集裝箱正面吊大臂的力學(xué)特性決定了該設(shè)備的適用范圍和作業(yè)效率，因此優(yōu)化正面吊大臂舉升系統(tǒng)成為各生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的課題。

一、正面吊臂架結(jié)構(gòu)

集裝箱正面吊的大臂舉升系統(tǒng)主要由伸縮臂、基本臂及伸縮油缸等組成，如圖1。由于差動(dòng)的需要，舉升油缸都采用了活塞缸形式，伸縮油缸的液壓油在活塞桿中部通過(guò)，克服了使用軟管維修困難的缺陷。伸縮油缸的缸筒與伸縮臂通過(guò)螺栓固定在一起，活塞桿通過(guò)銷軸與基本臂鉸接在一起，可以吸收一部分沖擊。由于基本臂的一端固定在車架上，伸縮油缸的伸縮就可以轉(zhuǎn)化為大臂的伸縮。

二、正面吊臂架的有限元分析

集裝箱正面吊是港口對(duì)集裝箱進(jìn)行裝卸、堆碼和水平運(yùn)輸?shù)谋貍溲b卸搬運(yùn)機(jī)械

圖1：集裝箱正面吊伸縮臂

圖2：工況1應(yīng)力云圖

圖3：工況2應(yīng)力云圖

圖4：工況3應(yīng)力云圖

圖5：工況4應(yīng)力云圖

表1：各工況最大應(yīng)力值

目前對(duì)于集裝箱正面吊吊臂的研究，大多只集中于有限元計(jì)算和臂架機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算，很少將二者有機(jī)結(jié)合。有限元計(jì)算往往只是計(jì)算靜態(tài)的載荷，或是在載荷中加入動(dòng)載系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并不能反映出吊臂在工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大載荷或惡劣載荷。考慮到性價(jià)比的因素，正面吊大臂主要結(jié)構(gòu)的材料采用Q460鋼板，它具有良好的抗疲勞性能和焊接性能。材料的屈服強(qiáng)度為：σs=400～460MPa，復(fù)合應(yīng)力為：σ復(fù)=331MPa。大噸位起重機(jī)的吊臂通常采用大圓角矩形或矩形加半圓的截面，以充分發(fā)揮材料的承載性能，減重的同時(shí)增加安全系數(shù)。

正面吊大臂的有限元模擬主要以板殼單元進(jìn)行計(jì)算，油缸簡(jiǎn)化為桿單元，滑塊簡(jiǎn)化為體單元。模型建立后，使用前處理模塊對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的原則是規(guī)則圖形采用映射網(wǎng)格，不規(guī)則圖形采用自由網(wǎng)格。仿真參數(shù)的設(shè)置為：彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85g/cm3。根據(jù)正面吊的載荷分布工況，分別對(duì)正面吊在四種工況下進(jìn)行受力分析（如圖2、3、4、5。），各工況最大應(yīng)力值如表1。以最危險(xiǎn)的工況為基準(zhǔn)校核結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

從靜力學(xué)的分析可以得出，大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本滿足工況的使用，按照有限元模擬基本臂，較大應(yīng)力在上翼板與滑塊接觸區(qū)域附近及俯仰油缸固定段下翼板處（工況2、工況4）。進(jìn)行大臂優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)該兩處位置基本臂下翼板厚度增加到20mm進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，滿足其在最惡劣條件下使用的安全性。

三、小結(jié)

集裝箱正面吊大臂是起重機(jī)的工作裝置，直接影響起重性能。本文在對(duì)四種工況下集裝箱正面吊大臂舉升機(jī)構(gòu)的有限元模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行人工經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化，對(duì)應(yīng)力較大的部位進(jìn)行加厚板材處理，對(duì)應(yīng)力較小區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)減小厚度以減小大臂的自重，使得RS-45型正面吊在相同的起重量情況下，能以優(yōu)化最小的吊臂自重，獲得最優(yōu)的性能。