船用克令吊的失效模式分析

張 晨 嚴(yán)競(jìng)博 鄒華敏

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

船用克令吊是安裝于船舶及浮式平臺(tái)上的一種輕型起重機(jī)，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用面積小及功能完善的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于船上的貨物吊裝和人員運(yùn)輸。近年來(lái)，隨著海上風(fēng)電及石油鉆井行業(yè)快速發(fā)展，使用克令吊起吊運(yùn)輸已經(jīng)成為船舶上下人員的一種主要方式[1]，因此克令吊安全性能的重要性不言而喻。各種起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中，也對(duì)人員起吊的安全問(wèn)題作了特別要求。以我司設(shè)計(jì)制造的80 t船用克令吊為分析對(duì)象，簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)和零部件布置，分析計(jì)算其在失效模式下的載荷情況，保障了其在使用過(guò)程中的安全性。

2 克令吊的基本布置

克令吊按驅(qū)動(dòng)方式分為電力驅(qū)動(dòng)和電液驅(qū)動(dòng)，該80 t克令吊為電液驅(qū)動(dòng)，其主要結(jié)構(gòu)部件為：臂架、人字架、回轉(zhuǎn)底盤、回轉(zhuǎn)軸承和圓筒體基座等。在回轉(zhuǎn)底盤上布置了司機(jī)室和液壓站房，作為人員安全操控克令吊的場(chǎng)所。80 t克令吊的基本布置見圖1。

圖1 克令吊基本布置圖

3 失效模式的計(jì)算

失效模式分析的目的，是驗(yàn)證克令吊的司機(jī)室和液壓站在吊機(jī)發(fā)生嚴(yán)重超載損壞的情況下，不是首先出現(xiàn)損壞的主要零部件，能保證受困人員有足夠的時(shí)間等待救援，對(duì)人員起到最大限度保護(hù)作用。

3.1 計(jì)算方法

克令吊的失效模式分析，首先計(jì)算其主要結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵零部件的失效載荷，其次對(duì)各失效載荷進(jìn)行比較，在任何情況下，支撐人員操作臺(tái)部件的失效載荷與首先失效的零部件失效載荷之比不得小于1.3。

以80 t克令吊為分析對(duì)象，失效載荷的計(jì)算可分為結(jié)構(gòu)件和零部件的失效載荷計(jì)算兩部分。主要結(jié)構(gòu)件選取臂架、人字架、回轉(zhuǎn)底盤和圓筒體，主要零部件選取主鉤鋼絲繩和變幅鋼絲繩。對(duì)80 t克令吊在各個(gè)工作幅度(6.6 m～35 m)工況下進(jìn)行失效載荷計(jì)算。分析失效模式時(shí)，克令吊的受載情況等同于吊機(jī)在船外吊載工況下的受載。

3.2 結(jié)構(gòu)件的失效載荷計(jì)算

分析計(jì)算克令吊的失效載荷分為強(qiáng)度計(jì)算和整體穩(wěn)定性計(jì)算，并對(duì)兩部分的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

3.2.1 強(qiáng)度計(jì)算

克令吊的基本受力情況分析。失效分析時(shí)克令吊處于船外吊載工況，受到以下幾部分載荷的作用：一是吊鉤額定載荷SWL；二是外部載荷，包括自重載荷G、風(fēng)載荷P、吊機(jī)傾斜產(chǎn)生的載荷W1、加速度沖擊載荷W2等。在這些外力的作用下，吊機(jī)的各個(gè)結(jié)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。其中，由吊鉤額定載荷SWL引起的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分別為fa2和fb2，由外部載荷引起的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分別為fa1和fb1。吊鉤額定載荷SWL會(huì)隨著工作幅度的變化而變化，從而造成每個(gè)幅度工況下的結(jié)構(gòu)件應(yīng)力都不一樣，導(dǎo)致克令吊失效的載荷是可變的吊鉤載荷。根據(jù)規(guī)范中的最低屈服應(yīng)力法，確定如下公式：

(fa1+fb1)+n×(fa2+fb2)=fy

(1)

式中，n為確定失效載荷的安全系數(shù)；fy為結(jié)構(gòu)件材料的屈服應(yīng)力。

由式(1)得：

(2)

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的材料，其屈服應(yīng)力fy是一個(gè)恒定值，而式中的其他應(yīng)力，可以對(duì)克令吊運(yùn)用Ansys建模，按工況加載外力進(jìn)行程序運(yùn)算后得出，代入公式(2)，克令吊各結(jié)構(gòu)件的失效載荷安全系數(shù)n均可求出。最后可通過(guò)公式P=n×SWL得到在強(qiáng)度計(jì)算下的各結(jié)構(gòu)件失效載荷P1。

3.2.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)于同時(shí)承受軸向力和彎曲應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性可按以下公式計(jì)算[2]：

(3)

上式中包含了軸向力以及x和y兩個(gè)方向的彎曲應(yīng)力的因素。對(duì)于失效模式下的穩(wěn)定性計(jì)算，可把兩個(gè)方向的彎曲應(yīng)力合成，得出合成彎曲應(yīng)力，同時(shí)為了計(jì)算在失效臨界下的屈曲應(yīng)力，可把公式(3)簡(jiǎn)化成以下公式：

(4)

式中，F(xiàn)a為許用軸向應(yīng)力；Fb為許用彎曲應(yīng)力；Fe為歐拉應(yīng)力；Cm為折算系數(shù)；n為確定失效載荷的安全系數(shù)。

公式(4)可通過(guò)等式轉(zhuǎn)換，演變成一個(gè)關(guān)于n的一元二次方程：

An2+Bn+C=0

(5)

運(yùn)用求根公式得：

(6)

式中A、B、C為：

(7)

B=2Fb·fa1·fa2-Fe·Fb·fa2

-Cm·Fa·Fe·fb2-Fa·Fb·Fa2

(8)

-Fe·Fb·fa1-Cm·Fa·Fe·fb1

-Fa·Fb·fa1

(9)

A、B、C中的所有變量均可通過(guò)程序計(jì)算或查表得出，求出A、B、C的值，代入公式(6)，可求出安全系數(shù)n，最后可通過(guò)公式P=n×SWL得到各結(jié)構(gòu)件失效載荷P2。

將各結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性的失效載荷P1和P2進(jìn)行對(duì)比，取其小值，即為使各結(jié)構(gòu)件開始失效的失效載荷P。

3.3 零部件的失效載荷計(jì)算

鋼絲繩是克令吊重要的零部件[3]，吊機(jī)的主要?jiǎng)幼?，如吊鉤的升降和臂架的俯仰等都要由有足夠強(qiáng)度的鋼絲繩提供保障。因此，把主鉤鋼絲繩和變幅鋼絲繩作為分析對(duì)象，研究其在失效時(shí)的載荷情況，作為計(jì)算整機(jī)失效載荷的一部分。

鋼絲繩的失效載荷，取決于鋼絲繩的破斷拉力T和鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的纏繞倍率m。破斷拉力可在各鋼絲繩廠家樣本上查得，鋼絲繩倍率指支撐吊鉤或臂架進(jìn)行動(dòng)作的纏繞系統(tǒng)的鋼絲繩數(shù)。鋼絲繩的失效載荷Q，在不考慮纏繞系統(tǒng)的效率時(shí)，按以下公式計(jì)算：

Q=m×T

(10)

80 t克令吊的主鉤鋼絲繩直徑為34 mm，破斷拉力為108.2 t,主鉤纏繞系統(tǒng)倍率為4；變幅鋼絲繩直徑為34 mm，破斷拉力為97.7 t，變幅纏繞系統(tǒng)倍率為8。因此，鋼絲繩的失效載荷可以按公式(10)求出。

3.4 計(jì)算結(jié)果

整理80 t克令吊各結(jié)構(gòu)件和鋼絲繩零部件的失效載荷計(jì)算結(jié)果，匯總成表1。

表1 各幅度工況下部件失效載荷

表中，Ⅲ和Ⅳ表示承載人員的部件(回轉(zhuǎn)底盤和圓筒體)，在14 m工作幅度下，其與吊機(jī)其他部件的失效載荷之比為最小值1.306，即滿足最小1.3倍的要求，故80 t吊機(jī)在任何工況下的人員操作安全性，都滿足要求。反之，如果計(jì)算結(jié)果有小于1.3的情況出現(xiàn)，就需要對(duì)承載人員的吊機(jī)部件作局部加強(qiáng)，并重新計(jì)算，直至滿足要求，方可完成克令吊失效模式的分析計(jì)算。最終的克令吊失效模式分析結(jié)果，以載荷曲線表的形式呈現(xiàn)，可以比較直觀地看出各部件的失效載荷情況(見圖2)。

圖2 失效載荷曲線表

4 結(jié)語(yǔ)

船用克令吊的使用在海洋工程領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)于其安全性，尤其是關(guān)乎人員安全方面的要求也逐漸提高。因此，克令吊的設(shè)計(jì)，不僅僅需要考慮結(jié)構(gòu)布局，也要把安全性考慮在內(nèi)。對(duì)該克令吊的失效模式分析，能為安全性分析提供理論依據(jù)，優(yōu)化吊機(jī)性能，為今后該類型及其他相似類型的吊機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。