基于有限元的集裝箱吊具改造設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析

彭 鑫

(江蘇省南通市通海港口有限公司 江蘇南通 226000)

我國集裝箱物流業(yè)發(fā)展起步較晚，隨著我國對外開放政策的推進(jìn)實(shí)施，多個(gè)自貿(mào)區(qū)建立為集裝箱物流貨運(yùn)發(fā)展提供新動力。鐵路系統(tǒng)物流運(yùn)輸集裝箱運(yùn)輸不斷增長，全國形成40多個(gè)集裝箱作業(yè)站，開展固定班列的集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)。港口集裝箱起重機(jī)堆場裝卸設(shè)備作業(yè)中，通常在吊具配置導(dǎo)板機(jī)構(gòu)，港口集裝箱堆場裝卸中涉及自動收縮吊具導(dǎo)板，可有效降低吊具作業(yè)中的硬沖擊。吊具精度決定起重機(jī)設(shè)備生產(chǎn)效率，普通集裝箱吊具框架通過軸銷連接，實(shí)際搬運(yùn)裝卸作業(yè)需要吊具旋轉(zhuǎn)90°，吊具框架沿用普通集裝箱吊具結(jié)構(gòu)，去掉起承載軸銷，吊具部分采用普通集裝箱伸縮式結(jié)構(gòu)。

一、集裝箱吊具簡介

經(jīng)濟(jì)全球化帶動對外的發(fā)展，海運(yùn)完成全球貿(mào)易總量70%以上的貨運(yùn)，海運(yùn)貨柜集裝箱發(fā)揮重要作用，我國港口運(yùn)輸年均增長率達(dá)30%，推動我國外貿(mào)的發(fā)展。正面吊運(yùn)機(jī)應(yīng)用于貨運(yùn)中轉(zhuǎn)站等，能進(jìn)行隔箱作業(yè)，具有作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的裝卸搬運(yùn)設(shè)備。集裝箱集散地、鐵運(yùn)站對集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)械提出了更高的要求，而正面吊運(yùn)機(jī)型具有機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)。

正面吊運(yùn)機(jī)吊具系統(tǒng)采用伸縮式吊具，可左右側(cè)向移動，使集裝箱準(zhǔn)確對位?？蓪Σ煌叽缂b箱吊裝提供很大的便利性[1]。正面吊具結(jié)構(gòu)性能難以理論分析手段解決，有限元分析可通過分析軟件模擬在不同工況下力學(xué)性能。集裝箱正面吊機(jī)結(jié)構(gòu)具有適用范圍廣，伸縮臂架構(gòu)性能好，吊具可左右旋轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。吊具對復(fù)雜場合目標(biāo)作業(yè)，可伸縮適應(yīng)不同尺寸集裝箱，臂架運(yùn)動帶動集裝箱升降，變幅運(yùn)動在液壓系統(tǒng)作用下同步進(jìn)行，吊裝生產(chǎn)效率大幅度提高。正面吊運(yùn)機(jī)可用于不同場合，同時(shí)具有叉車特點(diǎn)，能堆垛四個(gè)集裝箱。吊裝重量超過吊運(yùn)機(jī)允許起重量機(jī)構(gòu)鎖死，吊裝重物時(shí)機(jī)器行駛速度過高將使發(fā)動機(jī)停運(yùn)。

1970年，Belotti公司發(fā)明首臺集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)，基于自身擁有技術(shù)基礎(chǔ)，將生產(chǎn)起重機(jī)改進(jìn)生產(chǎn)B75，多功能吊具等部件組成B75正面吊運(yùn)機(jī)，主要技術(shù)性能包括吊具可用于20ft，35ft集裝箱作業(yè)，側(cè)移-800～+800 mm，最高行駛速度26 km/h。1980年后，許多國際知名公司開始集裝箱調(diào)運(yùn)設(shè)備開發(fā)，大多集中于歐洲地區(qū)。正面吊運(yùn)機(jī)制造工藝逐步走向成熟，吊具應(yīng)用進(jìn)行改善，提高吊運(yùn)機(jī)工作效率，優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)與臂架支撐結(jié)構(gòu)。目前，正面吊運(yùn)機(jī)使用遍布世界各地，呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，向生產(chǎn)制造專業(yè)化、機(jī)器大型化、電氣控制智能化等方向發(fā)展。

二、有限元分析集裝箱吊具結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

港口集裝箱起動機(jī)吊具配置導(dǎo)板結(jié)構(gòu)控制形式分為機(jī)械固定式與液壓活動式。液壓活動式吊具導(dǎo)板機(jī)構(gòu)控制形式改造性能受系統(tǒng)工作環(huán)境影響，采用電磁閥換向控制方式，存在沖擊大、維修成本高等問題，機(jī)械固定式吊具導(dǎo)板采用螺栓固定安裝形式，導(dǎo)板機(jī)構(gòu)采用剛性連接方式，易因碰撞發(fā)生變形損壞，因吊具著箱偏差造成與頂部撞擊引發(fā)貨損。設(shè)計(jì)港口集裝箱起重機(jī)自動收縮吊具導(dǎo)板，需做好旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選型與吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

采用滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承，吊具旋轉(zhuǎn)部分固定在大軸承回轉(zhuǎn)座圈，通過驅(qū)動支承平臺旋轉(zhuǎn)。采用兩只油缸驅(qū)動，固定座受力均衡，每只油缸兩端利用固定銷固定在吊具框架地面，集裝箱吊具通過油缸伸縮實(shí)現(xiàn)水平面旋轉(zhuǎn)，油缸縮回可使吊具旋轉(zhuǎn)回原位置。改造建立在普通集裝箱吊具基礎(chǔ)上，采用4條支腿支承、回轉(zhuǎn)支承等結(jié)構(gòu)[2]。為使油缸活動空間加大，選把油缸布置在支承平臺底部。支腿選用箱形結(jié)構(gòu)，受荷載為集裝箱Q=40t，支腿受外載F=12.5t，每條支腿自重Q2=0.5t。

利用有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，支腿可視為兩端剪支梁單元，獲得最大位移為Smax=2.556 mm,最大應(yīng)力σmax=245.0 MPa。支承底座向內(nèi)移動，需要計(jì)算吊具橫梁強(qiáng)度，橫梁變形過大影響伸縮架伸縮。吊具橫梁主要受集裝箱拉力，吊具框架電機(jī)壓力等，吊具橫梁1/4受力分析，伸縮架自重T2=0.5t，忽略推桿對伸縮架的剛度影響。最大應(yīng)力為σmax=245.0 MPa，最大位移Smax=39.06 mm，可滿足剛度強(qiáng)度要求。

三、結(jié)束語

集裝箱吊具改造滿足搬運(yùn)裝卸對吊具帶載旋轉(zhuǎn)要求，液壓油缸方案具有改造方便等優(yōu)點(diǎn)，可帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。有限元分析軟件可方便求解結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸提供依據(jù)。港口集裝箱起重機(jī)吊具導(dǎo)板應(yīng)用于某集裝箱碼頭起重機(jī)吊具取得良好效果。作業(yè)操控性強(qiáng)，降低軌道吊具作業(yè)硬沖擊導(dǎo)致導(dǎo)板損壞情況，未發(fā)生導(dǎo)板及部件損壞，降低維護(hù)維修成本，適用于集裝箱堆場裝卸起重機(jī)，為港口集裝箱起重機(jī)裝卸工藝設(shè)計(jì)提供借鑒。