集裝箱正面吊曲臂的有限元分析及優(yōu)化

祖海英，趙偉民，韓佳軒

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

隨著全球集裝箱運(yùn)輸持續(xù)快速增長，碼頭或中轉(zhuǎn)站集裝箱堆場容量的需求也相應(yīng)增大.集裝箱正面吊廣泛應(yīng)用于集裝箱貨場、中轉(zhuǎn)站和碼頭等物流裝卸場所［1］，按其吊臂的結(jié)構(gòu)形式分為直臂和曲臂，其中直臂正面吊具有簡單、截面小、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，但是直臂不能跨箱作業(yè)，致使工作效率較低;而曲臂正面吊不僅可以跨箱作業(yè)并能直接吊運(yùn)船上的集裝箱，效率高且具有良好發(fā)展前景.本文通過借鑒利勃海爾曲臂正面吊的技術(shù)參數(shù)，建立分析模型并進(jìn)行相關(guān)的分析研究.

1 曲臂正面吊的作業(yè)分析

曲臂正面吊如圖1所示:由底盤、變幅油缸、基本臂、伸縮臂、集裝箱吊具、伸縮油缸、擺動(dòng)油缸等組成.

圖1 整體分析模型Fig.1 Model of analysis while-machine

曲臂正面吊的吊臂為兩節(jié)液壓伸縮臂，可以實(shí)現(xiàn)無級伸縮和帶載伸縮［2］.曲臂正面吊可以實(shí)現(xiàn)跨箱作業(yè)，它可以在第1 排的4 層箱不移動(dòng)的情況下，直接將第2 排的第4 層箱取走;在不移動(dòng)第1、2排的3 層箱的情況下，直接將第3 排第3 層箱取走;這樣就大大減少了移動(dòng)的次數(shù)并提高效率.工作示意圖如圖2所示，a，b，c，d 表示其跨箱作業(yè)的過程.集裝箱正面吊在換用不同吊具時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)整體的吊裝.吊輕箱時(shí)，還可縱向吊箱.集裝箱正面吊的吊具可±180°旋轉(zhuǎn)，橫移量為±200 mm，裝卸對箱時(shí)只需操縱曲臂和吊具，而不用移動(dòng)整車，生產(chǎn)率可達(dá)38 標(biāo)準(zhǔn)箱·h－1.

圖2 跨箱作業(yè)示意圖Fig.2 Sketch map for span working

2 曲臂正面吊的工況運(yùn)動(dòng)分析［3］

曲臂正面吊有如下三種工況:

(1)吊第1 排第5 層，箱重為45 t，吊臂處于最大載荷于工作最高點(diǎn).

(2)吊第2 排第4 層，跨箱作業(yè)，箱重為38 t，吊臂處于力矩最大點(diǎn).

(3)吊第3 排第3 層，跨箱作業(yè)，箱重為30 t，吊臂處于最遠(yuǎn)工作點(diǎn).

以上三種工況是曲臂正面吊在工作中可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的情況，因此下面將對這三種工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究.

運(yùn)動(dòng)分析時(shí)曲臂正面吊的運(yùn)動(dòng)副設(shè)置:以基本臂的后鉸耳與車體連接處的運(yùn)動(dòng)副為旋轉(zhuǎn)副，以變幅油缸與基本臂上鉸耳連接處的運(yùn)動(dòng)副為旋轉(zhuǎn)副，以變幅油缸缸筒與變幅油缸杠桿的運(yùn)動(dòng)副為同心移動(dòng)副，以變幅油缸與車體前鉸耳連接處的運(yùn)動(dòng)副為旋轉(zhuǎn)副，以基本臂與伸縮臂的4 個(gè)接觸面的運(yùn)動(dòng)副為移動(dòng)副，以吊具與伸縮臂下鉸耳連接處為旋轉(zhuǎn)副.

吊臂的運(yùn)動(dòng)方式:變幅與伸縮同步進(jìn)行，設(shè)變幅與伸縮油缸的運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng).吊臂將集裝箱從地面吊到第1 排第5 層的位置，然后將其放到第4層箱上面.

仿真時(shí)間設(shè)置為120 s，工況1 的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.基本臂的后鉸耳與車體連接處(A點(diǎn))反作用力曲線如圖3a 所示，油缸與基本臂上鉸耳連接處(B點(diǎn))反作用力曲線如圖3b 所示，吊具與伸縮臂鉸耳連接處(C點(diǎn))作用力曲線如圖3c 所示.

從圖3曲線可知，當(dāng)?shù)醣墼谶\(yùn)動(dòng)初始位置時(shí)，A，B，C點(diǎn)處的反作用力幅值最大，因?yàn)榇藭r(shí)吊重在x方向距離A點(diǎn)最遠(yuǎn)，產(chǎn)生的力矩也最大，B點(diǎn)處的反作用力也相應(yīng)最大.采用同樣的方法對工況2，3進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到三種工況下A，B，C三點(diǎn)的對比，見表1.從表1中可看出工況1 為最危險(xiǎn)工況.

圖3 鉸點(diǎn) A，B，C 的作用力Fig.3 Force of hinge A，B，C

3 正面吊曲臂的有限元分析

曲臂的支承情況:水平銷軸將下鉸耳與底盤連接，在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在基本臂前半部下面支承變幅油缸.該單變幅液壓缸位于吊臂中線，支承處可視作處于圓柱體上的約束，使其在橫向?qū)Φ醣鄄皇┘蛹s束.吊臂由4 塊鋼板焊接組成，上下各一個(gè)彎曲翼板，左右各一個(gè)矩形截面的圓弧腹板，其翼板較腹板厚.吊臂的伸縮機(jī)構(gòu)采用一級伸縮缸［4］.

表1 結(jié)果對比表Tab1 Contrust of simulation results

3.1 工況1下曲臂結(jié)構(gòu)有限元分析

考慮吊臂的自重，為確保其重心位置的準(zhǔn)確性，需以吊臂的實(shí)際工況位置進(jìn)行建模，由于基本臂及伸縮臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜且剛性很大，故將其簡化成2個(gè)實(shí)體建模，基本臂與伸縮臂選材均為40 MnVB.

取運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中工況1 下的最大反作用力的載荷來計(jì)算.在基本臂尾部與車體鉸接處，約束3個(gè)方向平行自由度(Ux，Uy，Uz)和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(Ry，Rz)，釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(Rx).變幅液壓缸與基本臂相聯(lián)接的鉸點(diǎn)處作同樣處理.兩節(jié)臂之間搭接處理為面接觸，只釋放其軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》，臂允許的位移變形量為

由式(1)得Zl≤0.306 m，L為臂長，L=17.5 m.

位移最大變形量Umax=0.262 m，在允許范圍內(nèi);最大應(yīng)力發(fā)生在伸縮臂的末端與基本臂連接的變截面處，應(yīng)力值達(dá)到 634 MPa.由于基本臂前端的面積較小，受到來自伸縮臂下翼板的壓力，產(chǎn)生了應(yīng)力集中;在變截面處截面尺寸突然變小，造成該處的應(yīng)力增大;基本臂上翼板處的臂為薄板，所以產(chǎn)生較大的應(yīng)力.材料許用屈服強(qiáng)度為

式中:材料的屈服強(qiáng)度為σs=800 MPa，允許屈服強(qiáng)度 [ σs]=634 MPa，安全系數(shù)取n=1.5.

通過對上述有限元模型進(jìn)行分析，如圖4所示，得到在工況1 下的位移最大變形量發(fā)生在吊臂頭部，位移量為0.262 m，小于允許的最大位移變形量0.306 m.最大應(yīng)力如圖5所示，發(fā)生在伸縮臂末端與基本臂連接的變截面處，最大當(dāng)量應(yīng)力值達(dá)到634 MPa，大于許用屈服強(qiáng)度533 MPa，因此設(shè)計(jì)不合理.

圖4 合力位移云圖Fig.4 Displacement cloud picture

圖5 截面應(yīng)力云圖Fig.5 Stress of section cloud picture

3.2 工況2下曲臂結(jié)構(gòu)有限元分析

加載為工況2 下的最大反作用力時(shí)的載荷，得到在工況2 下的位移最大變形量位于吊臂頭部，值為0.295 m，小于允許的位移變形量0.345 m.最大當(dāng)量應(yīng)力發(fā)生在伸縮臂末端與基本臂連接處，其值為446 MPa，小于許用屈服強(qiáng)度 533 MPa，設(shè)計(jì)合理.

3.3 工況3下曲臂結(jié)構(gòu)有限元分析

加載為工況3 下的最大反作用力時(shí)的載荷，得到在工況3 下的位移最大變形量位于吊臂頭部，值為0.280 m，小于允許的位移變形量0.349 m.最大當(dāng)量應(yīng)力發(fā)生在伸縮臂末端與基本臂連接處，其值為418 MPa，小于許用屈服強(qiáng)度533 MPa，設(shè)計(jì)合理.

4 正面吊曲臂的人工優(yōu)化

4.1 曲臂的形狀參數(shù)優(yōu)化

通過對以上曲臂的有限元分析結(jié)果顯示:曲臂高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在基本臂下翼板滑塊處、伸縮臂上翼板滑塊處、伸縮臂下末端與基本臂的接觸截面突變處、基本臂截面突變處以下的上下翼板至變幅油缸鉸點(diǎn)之間的區(qū)域.相對應(yīng)力較小的區(qū)域?yàn)?伸縮臂的上下翼板及左右腹板.對其進(jìn)行直接人工優(yōu)化:對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng);對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高的區(qū)域考慮適當(dāng)減小其厚度［5］.

4.2 曲臂優(yōu)化前后的有限元分析

通過對最危險(xiǎn)的工況1 進(jìn)行有限元分析，施加載荷取自運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中的結(jié)果.通過有限元進(jìn)行計(jì)算，得到在工況1 下的位移最大變形量位于吊臂頭部，為 0.280 m，在允許范圍 0.306 m 內(nèi).應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化前對比如表2所示，最大應(yīng)力發(fā)生在基本臂油缸鉸耳的4 個(gè)側(cè)板與基本臂下翼板連接處，其值為455 MPa，小于許用屈服強(qiáng)度533 MPa，達(dá)到優(yōu)化目的.

表2 吊臂優(yōu)化對比表Tab.2 Contrast table of the lift arm optimiztion

5 結(jié)論

本文分析設(shè)計(jì)了45 t 集裝箱曲臂正面吊，對曲臂正面吊進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和有限元分析，同時(shí)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了人工優(yōu)化分析.優(yōu)化后，最大應(yīng)力減少了28.2%，最大位移增加了6.87%，最大應(yīng)變減少了25.7%，整個(gè)吊臂質(zhì)量減少了12.3%.且優(yōu)化后最大應(yīng)力與最大位移均在許用應(yīng)力與許用位移范圍之內(nèi).

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