集裝箱門式起重機(jī)加高門腿安全性能分析*

江愛華 尤海珍 何山 陳敏 王新華

技術(shù)應(yīng)用

集裝箱門式起重機(jī)加高門腿安全性能分析*

江愛華1尤海珍2何山1陳敏1王新華1

（1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510180 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院包頭分院，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

為提升貨物堆放高度，將集裝箱門式起重機(jī)門腿進(jìn)行加高改造。利用有限元建模對集裝箱門式起重機(jī)加高門腿在3種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等安全性能進(jìn)行分析，并對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，為加高改造后的相關(guān)設(shè)備整體安全性能研究提供一種新思路。

集裝箱；門式起重機(jī)；加高門腿；安全性能

0　引言

隨著國際航運(yùn)貿(mào)易的發(fā)展，集裝箱門式起重機(jī)作為港口碼頭重要的大型搬運(yùn)機(jī)械在物流運(yùn)輸中廣泛應(yīng)用[1-2]。同時(shí)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，對港口貨物吞吐量的要求也越來越高[3]。當(dāng)前，許多港口碼頭采用增加貨物堆放層數(shù)來應(yīng)對貨物吞吐量增多的難題，由原來堆放的五層增加至六層，甚至七層。老舊門式起重機(jī)無法滿足新的堆高要求，需進(jìn)行加高改造，即在門式起重機(jī)4個(gè)支腿上安裝加高結(jié)構(gòu)，同時(shí)在下橫梁安裝門腿內(nèi)側(cè)聯(lián)系橫梁，達(dá)到增加起升高度的目的。

集裝箱門式起重機(jī)經(jīng)加高改造后，需考慮安全性能。其安全性能指標(biāo)主要包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度等[4-7]。本文針對一臺JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)加高改造后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度進(jìn)行有限元分析；采用SHELL63單元模擬整機(jī)結(jié)構(gòu)件，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的屈曲與彎矩，研究其整體安全性能[8-9]。

1 設(shè)備概況

JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)于1999年投產(chǎn)使用，為滿足工作需要，將4條門腿截?cái)?，分別安裝高度約為3.3 m的分段，再將主梁安裝在門腿上，從而將門腿高度從12.2 m提升到15.5 m，模型如圖1所示。

圖1　整機(jī)有限元模型

2 主要參數(shù)

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)運(yùn)行工況包括：

工況1，小車額定載荷運(yùn)行至端梁制動(dòng)；

工況2，小車額定載荷運(yùn)行至主梁中部制動(dòng)；

工況3，小車額定載荷位于主梁中部，大車運(yùn)行制動(dòng)。

3 有限元建模分析

1）空載

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)空載位移變形圖如圖2所示，最大位移為11.2 mm，位于主梁中部。

圖2　加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)空載位移變形圖

2）工況1

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)在工況1時(shí)的位移云圖如圖3所示，應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖3　工況1位移云圖

由圖3可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)最大位移為13 mm，位于跨中，載荷產(chǎn)生的位移為1.8 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的33 mm，此工況下結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

由圖4可知，最大應(yīng)力位于門腿內(nèi)側(cè)，約33 MPa。依據(jù)GB/T 3811—2008，金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)選用1.34，基本許用應(yīng)力為175 MPa。此工況下最大應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

圖4　工況1應(yīng)力云圖

3）工況2

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)在工況2時(shí)的位移云圖如圖5所示，應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5　工況2 位移云圖

圖6　工況2應(yīng)力云圖

由圖5可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)最大位移為26.8 mm，位于跨中，載荷產(chǎn)生的位移為15.6 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的33 mm，此工況下結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

由圖6可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)最大應(yīng)力位于主梁中部，約為52 MPa。依據(jù)GB/T 3811—2008，金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)選用1.34，基本許用應(yīng)力為175 MPa。此工況下最大應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

4）工況3

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)在工況3時(shí)的位移云圖如圖7所示，應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7　工況3位移云圖

由圖7可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)最大位移為27.3 mm，位于跨中；載荷產(chǎn)生的位移為16.1 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的33 mm，此工況下結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

圖8　工況3應(yīng)力云圖

由圖8可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)最大應(yīng)力位于主梁中部，約為53 Mpa。依據(jù)GB/T 3811—2008，金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)選用1.34，基本許用應(yīng)力為175 MPa。此工況下最大應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

4 門腿加高后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)門腿尺寸與板厚如圖9所示。

圖9　加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機(jī)門腿尺寸與板厚圖

在工況3下，根據(jù)偏心受壓實(shí)體構(gòu)件的有關(guān)設(shè)計(jì)要求對門腿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行評估。偏心受壓實(shí)體構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算采用以下公式：

式中，λ、λ分別為構(gòu)件對和軸的長細(xì)比；l、l分別為構(gòu)件對和軸的計(jì)算長度；r、r分別為構(gòu)件對和軸的回轉(zhuǎn)半徑；I、I分別為構(gòu)件對和軸截面的慣性矩。

=F×= 18 312 N×18 500 mm = 3.38e8 N·mm

=F×= 3 400 N×18 500 mm = 6.29e7 N·mm

=I/= 15 322 758 544/870 = 1.76e7 mm3

=I/= 7 885 561 451/555 = 1.42e7 mm3

=F橫向×

=F橫向×

由于橫向應(yīng)力F橫向和F橫向?yàn)?，因此構(gòu)件橫向載荷繞和軸的彎矩為0。

則有如下計(jì)算：

5 總結(jié)

集裝箱門式起重機(jī)經(jīng)過加高改造后，由于運(yùn)行參數(shù)改變，其整體安全性能也相應(yīng)發(fā)生變化。為此，需進(jìn)行安全性能分析，掌握其安全運(yùn)行情況，防止引發(fā)安全生產(chǎn)事故。而且設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了變化，需獲得當(dāng)前設(shè)備安全性能參數(shù)。采用傳統(tǒng)測試方法較為復(fù)雜，且具備一定風(fēng)險(xiǎn)。本文采用有限元獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖，直接提取強(qiáng)度和剛度參數(shù)進(jìn)行析，并同時(shí)對穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，提升了分析精度。

[1] 李濤.軌道式集裝箱門式起重機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)[J].當(dāng)代化工研究,2020(22):139-140.

[2] 黃正球,秦昊.基于應(yīng)力測試的輪胎式集裝箱門式起重機(jī)安全評估[J].西部特種設(shè)備, 2021,4(1):46-49,56.

[3] 胡勝文,江愛華,何山.輪胎式集裝箱門式起重機(jī)加高改造動(dòng)態(tài)特性分析[J].自動(dòng)化與信息工程, 2017,38(4):31-34.

[4] 全國起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 3811-2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[5] 何山,江愛華.起重機(jī)自重應(yīng)力對安全評估中應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2020(5):80-82.

[6] 黃國健,劉柏清,王新華,等.在役門座式起重機(jī)應(yīng)力測試技術(shù)探討[J].自動(dòng)化與信息工程,2011,32(6):29-31.

[7] 張勇,咼中樑,何山.龍門起重機(jī)的振動(dòng)分析[J].自動(dòng)化與信息工程,2018,39(2):8-12.

[8] 陳敏,黃國健,吳粵平,等.基于有限元的門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及應(yīng)力測試[J].自動(dòng)化與信息工程, 2013,34(4):31-34.

[9] 何山,黃國健,陳敏.有限元分析在橋式起重機(jī)主梁局部穩(wěn)定性校核中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與信息工程, 2019,40(6):44-48.

Safety Performance Analysis of Container Gantry Crane Heightening Portal Leg

Jiang Aihua1You Haizhen2He Shan1Chen Min1Wang Xinhua1

(1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing, Guangzhou 510180, China 2.Baotou Branch of Inner Mongolia Special Equipment Inspection and Research Institute, Baotou 014000, China)

In order to improve the stacking height of goods, the portal leg of container gantry crane is raised. Using finite element modeling, the structural strength and stiffness of container gantry crane heightening portal leg under three working conditions are analyzed, and the structural stability is checked. It provides a new idea for the research on the overall safety performance of relevant equipment after heightening and transformation.

container; portal crane; heightening portal leg; safety performance

廣州市市場監(jiān)督管理局科技項(xiàng)目（2021kj25）

江愛華，男，1983年生，研究生，高級工程師，主要研究方向：機(jī)電類特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測和結(jié)構(gòu)安全評估。E-mail: aiwa9104@126.com

尤海珍，女，1978年生，大學(xué)本科，高級工程師，主要研究方向：機(jī)電類特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測和結(jié)構(gòu)安全評估。E-mail: 121430388@qq.com

何山，男，1987年生，研究生，高級工程師，主要研究方向：機(jī)電類特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測和結(jié)構(gòu)安全評估。E-mail: 516315464@qq.com

陳敏，男，1988年生，研究生，高級工程師，主要研究方向：機(jī)電類特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測和結(jié)構(gòu)安全評估。E-mail: 502414769@qq.com

王新華，男，1980年生，博士，教授級高工，主要研究方向：機(jī)電類特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測和結(jié)構(gòu)安全評估工作。E-mail: exwangxinhua@163.com

TH213.5

A

1674-2605(2021)06-0010-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.06.010