大型裝船機防風穩定性計算與改造

徐 鵬

秦皇島港股份有限公司技術設備部 河北秦皇島 066000

裝 船機是用于散料碼頭裝船時使用的大型散料裝卸機械[1]，常用于礦石和煤的運輸。其外形高大，結構復雜，迎風面積大[2]，在突發性陣風來臨時很容易遭受風力的襲擊，因而其結構強度和穩定性就顯得尤為重要。一旦裝船機出現意外，將直接影響碼頭的正常生產秩序，同時也給港口企業帶來重大的經濟損失，甚至還可能造成重大的人員傷亡。秦港 SL2 裝船機已經服役超過 20 a，期間經過多次結構改造，配重質量也發生了變化，按照 JT/T 90—2008《港口裝卸機械風載荷計算及防風安全要求》和《港口大型機械防陣風防臺風管理規定》等文件，需要重新對其進行防風穩定性計算。筆者基于 GB/T 3811—2008《起重機設計規范》和 ISO 5049-1:1994《移動式散料連續搬運設備鋼結構設計規范》，對秦港 SL2裝船機進行防風穩定性分析計算，根據計算結果提出增設防風拉索的改造方案，并對防風拉索連接座進行了有限元分析。

1 裝船機防風穩定性計算

裝船機的防風穩定性是指設備在風載作用下的整體抗傾覆能力。在計算過程中，當裝船機穩定力矩的代數和大于傾覆力矩的代數和時，則認為整機是穩定的。

1.1 裝船機防風穩定性計算依據標準

表1 不同工況下的防風穩定性系數Tab.1 Wind-proof stability coefficient in various operation modes

由 GB/T 3811—2008《起重機設計規范》和 ISO 5049-1:1994 《移動式散料連續搬運設備鋼結構設計規范》可知，暴風工況下設備所受的風載最大，為最危險工況，必須對暴風工況下的裝船機進行防風穩定性計算。此時裝船機為錨定狀態，固定臂架俯仰角度為 80°，通過掛鉤與人字架相連，伸縮臂架縮入固定臂架內。暴風工況屬于工況Ⅲ，根據表 1 可知其防風穩定性系數不小于 1.2。

1.2 裝船機防風穩定性計算步驟

裝船機防風穩定性的計算步驟如下：首先根據各部件重心計算整機重心，然后計算各部件的風載以及因風載產生的傾覆力矩，最后通過穩定力矩和傾覆力矩的比值來判斷在暴風工況下裝船機是否會發生傾覆。裝船機防風穩定性計算示意如圖 1 所示，坐標原點位于陸側門腿中心，x軸指向海側，軌距和基距均為 15 m。

圖1 裝船機防風穩定性計算示意Fig.1 Sketch of calculation of wind-proof stability of ship-loader

已知裝船機各部件重量和重心坐標，根據力矩平衡可按下式計算裝船機的重心坐標：

式中：xi、yi和zi為裝船機部件i的重心坐標；Gi為部件i的重量，i=1，2，…，n。

裝船機結構復雜，包含五大部件，分別為俯仰模塊、下部模塊、上部模塊、配重梁和溜筒。其中俯仰模塊包含固定臂架、伸縮臂架、機械電氣設備和帶式輸送機等；下部模塊包含走行機構、陸側門腿、海側門腿、門架梁、機器房、電氣室、支撐平臺和梯子平臺等；上部模塊包含塔架結構、司機室和梯子平臺等。裝船機整機及其部件的重心如表 2 所列。需要說明的是，溜筒和臂架并非剛性連接，需要單獨計算，并不包含在整機重量之內。

表2 裝船機整機及其部件的重心Tab.2 Center of gravity of ship-loader and its components

暴風工況下，依據 GB/T 3811—2008《起重機設計規范》，按照下式計算各個部件的風載F：

其中

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式中：A為迎風面積；Cf為形狀系數；η為遮擋系數；p為風壓；ρ為空氣密度；v為風速。暴風速度v為 55 m/s，空氣密度ρ為 1.25 kg/m3，則此工況下p=1 890.6 Pa。根據各部件所在高度H，可以計算因風載產生的傾覆力矩

暴風工況下裝船機風載和傾覆力矩計算如表 3 所列，其中根據風向分為 2 種工況。

表3 暴風工況下裝船機風載和傾覆力矩計算Tab.3 Calculation of wind load and overturning moment of ship-loader in violent wind mode

裝船機防風穩定性計算如表 4 所列，其中穩定力矩由整機自重產生，由于風向不同會導致傾覆邊發生變化，根據裝船機重心坐標以及軌距、基距，可計算得出不同的穩定力矩。由于溜筒的重心坐標在門腿范圍之外，當傾覆邊為AB和BC(見圖 1) 時，溜筒重力產生的力矩為穩定力矩；當傾覆邊為CD(見圖 1)時，溜筒重力產生的力矩為傾覆力矩。在統計穩定力矩和傾覆力矩時分為 3 種工況，穩定性系數為總的穩定力矩與傾覆力矩的比值。

表4 裝船機防風穩定性計算Tab.4 Calculation of wind-proof stability of ship-loader

由表 4 可知，該裝船機最小穩定性系數為 1.19，接近表 1 中的許用穩定性系數 1.2，但小于該閾值。由此可知，該裝船機原設計結構不符合暴風工況下的防風穩定性要求，需要通過改造增大穩定力矩，以提高防風穩定性系數。

2 裝船機防風穩定性改造方案

為了提高裝船機的防風穩定性，考慮增設防風裝置。港口設備的主要防風裝置有輪邊制動器、防爬鐵鞋、防風拉索、夾軌器及錨定器等[3]。防風拉索是一種常用的防風裝置，這種裝置將起重機與碼頭連在一起，刮大風時，防風拉索給起重機一個向下垂直力，依賴這個力，起重機得以不翻車[4]。秦港 SL2 裝船機在改造過程中選用防風拉索方案，增設 2 根防風拉索，每根防風拉索垂直拉力為 200 kN。增設防風拉索前后穩定性系數對比如表 5 所列。

表5 增設防風拉索前后穩定性系數對比Tab.5 Comparison of stability coefficient before and after addition of wind-proof cable

由表 5 可知，增設防風拉索后，最小防風穩定性系數從 1.19 提高到 1.26，設備穩定性顯著提高，滿足設計要求。

3 防風拉索連接座有限元分析

裝船機防風拉索安裝示意如圖 2 所示。暴風工況下防風拉索為豎直狀態，其余工況下防風拉索掛于走行裝置上。增設防風拉索后，需要設計相應的防風拉索連接座，其中單耳板連接座安裝在裝船機走行裝置上，雙耳板連接座預埋在碼頭特定位置。兩種連接座均為焊接部件，需要用有限元法分析校核，確保其在垂直力作用下強度滿足要求。

圖2 防風拉索安裝示意Fig.2 Installation sketch of wind-proof cable

3.1 連接座有限元建模

處理連接座幾何模型時，對焊縫區域進行了比較精確的建模，保證幾何模型與實際相符，單耳板連接座和雙耳板連接座的幾何模型分別如圖 3、4 所示。

圖3 單耳板連接座幾何模型Fig.3 Geometric model of single ear-plate joint

圖4 雙耳板連接座幾何模型Fig.4 Geometric model of double ear-plate joint

采用 NX NASTRAN 軟件進行分析。連接座鋼板材料選用 Q345B，假定焊縫材料和鋼板材料相同，材料始終處于彈性范圍，且忽略材料的各向異性。Q345B 物性參數如表 6 所列。

表6 Q345B 物性參數Tab.6 Physical properties parameters of Q345B

暴風工況下，單根防風拉索的垂直拉力為 200 kN。對于單耳板連接座，載荷施加在連接孔位置，約束施加在與走行裝置的連接板上；對于雙耳板連接座，載荷施加在連接銷軸外表面上，約束施加在地腳螺栓孔位置。

3.2 連接座有限元分析結果

單耳板連接座等效應力分布云圖如圖 5 所示。由圖 5 可知，最大等效應力為 286.6 MPa，位于連接孔邊緣處。

圖5 單耳板連接座等效應力分布云圖Fig.5 Distribution contours of equivalent stress of single ear-plate joint

雙耳板連接座等效應力分布云圖如圖 6 所示。由圖 6 可知，最大等效應力為 164.6 MPa，位于銷軸孔邊緣處。

圖6 雙耳板連接座等效應力分布云圖Fig.6 Distribution contours of equivalent stress of double ear-plate joint

根據 GB/T 3811—2008《起重機設計規范》可知，暴風工況屬于Ⅲ類工況，相應厚度的 Q345B 許用應力為 288.8 MPa，兩種連接座的最大應力均小于該許用應力值，現有連接座設計方案滿足載荷在 200 kN 條件下的強度要求。

4 改造效果

SL2 裝船機防風拉索改造屬于秦港大型岸邊裝卸設備增設防風裝置改造項目，該項目竣工已近兩年。在防風拉索的使用過程中，未發生較大局部變形等異常情況，經過對防風拉鎖連接座焊縫的無損檢測，未發現任何由于應力集中導致的缺陷，增設防風拉鎖的改造方案滿足設備防風穩定性要求，增強了裝船機抵抗大風的能力。

5 結論

基于 GB/T 3811—2008《起重機設計規范》和ISO 5049-1:1994《移動式散料連續搬運設備鋼結構設計規范》，對秦港 SL2 裝船機進行了原設計和改造后的防風穩定性計算，并對增設的防風拉索連接座進行了有限元分析校核，得到以下結論。

(1) 裝船機增設防風拉索后，最小穩定性系數從1.19 提高到 1.26，裝船機防風穩定性明顯提高，滿足標準要求。

(2) 防風拉索連接座的有限元分析結果表明，最大應力小于材料許用應力，滿足強度要求。

(3) 防風拉索改造方案近兩年的應用效果表明，該方案滿足防風穩定性要求，增強了裝船機抵抗大風的能力。