集裝箱正面吊吊具伸縮臂開裂分析與研究

劉興鋒，易炳剛

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東 深圳 518000）

集裝箱正面吊吊具伸縮臂開裂分析與研究

劉興鋒，易炳剛

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東 深圳 518000）

正面吊吊具作為集裝箱搬運(yùn)過程中的主要工具，其結(jié)構(gòu)狀況是起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則中重點(diǎn)要求檢查的部分。伸縮臂作為吊具的直接受力結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)受力狀況直接影響吊具結(jié)構(gòu)的性能及使用過程中的安全性。本文以現(xiàn)場(chǎng)起吊40英尺標(biāo)箱為例，通過研究伸縮臂的破壞形式，及simiulation有限元分析結(jié)果找出吊具伸縮臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大位置，分析產(chǎn)生破壞的原因，并對(duì)該位置進(jìn)行加強(qiáng)處理，降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，提高吊具的使用壽命。

裂紋；疲勞壽命；應(yīng)力；應(yīng)變

1 概述

正面吊是對(duì)集裝箱進(jìn)行裝卸、堆碼和水平運(yùn)輸作業(yè)的裝卸搬運(yùn)機(jī)械。標(biāo)配集裝箱多功能伸縮式吊具，通過左右旋轉(zhuǎn)、橫向移動(dòng)、水平傾斜等操作，能便捷的完成著箱動(dòng)作和窄道通過；吊具側(cè)面掛耳加裝吊爪和吊索，還可以吊運(yùn)其他物品（如木材）。因其方便可靠、穩(wěn)定性好、負(fù)載大、利用率高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于碼頭堆場(chǎng)、鐵路、貨運(yùn)場(chǎng)站等場(chǎng)所。吊具的金屬結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)臺(tái)、主筒和伸縮臂組成。

吊具的伸縮臂發(fā)生開裂是嚴(yán)重的事故隱患，不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除，能造成災(zāi)難性的后果。起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則（TSG Q7015-2016）要求“主要受力構(gòu)件(如吊具橫梁)連接焊縫無明顯可見的裂紋”，即要求主要受力構(gòu)件或焊縫發(fā)生裂紋時(shí)，起重機(jī)應(yīng)當(dāng)立即停止使用。在根據(jù)受力的狀況和裂紋的發(fā)展趨勢(shì)采取了相應(yīng)的應(yīng)變措施，如改變應(yīng)力的分布，或者更換新的結(jié)構(gòu)件后，方可繼續(xù)使用，否則應(yīng)當(dāng)予以報(bào)廢（圖1）。

圖1 吊具伸縮臂開裂位置

2 正面吊吊具伸縮臂受力及開裂分析

常見正面吊的額定載荷為45T，即吊具下最大能起吊45T的重物，旋轉(zhuǎn)角度+105°/-195°，側(cè)移±800mm，能吊運(yùn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)20/40英尺集裝箱。

2.1 建立吊具有限元分析模型

SolidWorks-simulation是基于有限元分析(即FEA數(shù)值)的設(shè)計(jì)分析插件。simulation能實(shí)現(xiàn)多種分析功能，尤其是對(duì)幾何模型的靜態(tài)和疲疲勞分析更具優(yōu)勢(shì)；通過確定材料屬性、加載、施加約束及劃分網(wǎng)格之后可對(duì)計(jì)算模型中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移進(jìn)行直接求解。三維模型建立完成后。根據(jù)吊具伸縮臂的結(jié)構(gòu)及尺寸，建立其有限元分析模型。

2.2 靜應(yīng)力分析

根據(jù)吊具的作業(yè)工況，經(jīng)分析得知當(dāng)起吊40英尺標(biāo)箱時(shí)最惡劣的工況為：起吊額定起重量Q=45000kg；側(cè)移量：S=800。吊具伸縮臂受力云圖如圖2。

由受力云圖可知，在伸縮臂處于40英尺狀態(tài)時(shí)，伸縮臂與主筒接觸位置處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大。同時(shí)檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的開裂就處于該位置處，說明分析結(jié)果與實(shí)際受力狀況基本一致。尤其是使用年限超過15年的正面吊運(yùn)機(jī)，其吊具的伸縮梁40尺位置處都有開裂現(xiàn)象。

圖2 伸縮臂有限元分析受力云圖

圖3 采用增加板厚的分析云圖

圖4 采用加強(qiáng)筋的分析云圖

2.3 伸縮臂的開裂分析

由有限元分析結(jié)果可知，在開裂位置受力較大，且為應(yīng)力集中位置，雖然該處的靜應(yīng)力值為遠(yuǎn)未超過鋼材HG70的許用應(yīng)力值，但是在長(zhǎng)期的使用過程中由于長(zhǎng)時(shí)間承受交變載荷，結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，開始產(chǎn)生疲勞微裂紋。且由于該位置處不便檢查，在微裂紋形成之初，未能有效采取措施，導(dǎo)致母材開裂嚴(yán)重。

3 解決措施

有限元分析可知，該位置處應(yīng)力較大，可通過降低應(yīng)力的方法來解決，即對(duì)伸縮臂伸出40尺位置開裂處進(jìn)行加強(qiáng)。此種結(jié)構(gòu)降低應(yīng)力的方法基本上有兩種；其一是增加受力較大位置處的板厚；其二是在該位置增加加強(qiáng)筋。至于采用何種方法，還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)伸縮臂的結(jié)構(gòu)及伸縮臂傳動(dòng)的方式來確定。對(duì)于采用油缸傳動(dòng)的吊具，采用增加板厚就比較方便，因?yàn)橛透仔柙谏炜s臂中運(yùn)行，如果采用加強(qiáng)筋的方式就會(huì)阻礙油缸運(yùn)行；對(duì)于采用鏈條傳動(dòng)的吊具，采用加強(qiáng)筋的方式就更勝一籌。兩種加強(qiáng)方法的有限元應(yīng)力分析云圖如圖3、4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

吊具在使用過程中開裂的地方很多，通過對(duì)吊具伸縮臂的受力分析并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力得到疏散，降低了該處的應(yīng)力值，使得應(yīng)力幅值大大降低，提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命，也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1]起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則.TSG Q7015-2016.

[2]張亮有，郭云霞，楊明亮. 大跨度桁架門式起重機(jī)主梁三維設(shè)計(jì)與分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2010 (4):10-13.

[3]鄭永鋒.正面吊吊具靜動(dòng)態(tài)特性分析與偏載檢測(cè)技術(shù)研究.

[4]機(jī)械工業(yè)出版社. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

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1671-0711（2017）05（下）-0030-02