集裝箱側(cè)面起重運輸車作業(yè)穩(wěn)定性計算

郭陽春

長沙中聯(lián)恒通機械有限公司 湖南長沙 410131

1 前言

集裝箱側(cè)面起重運輸車是一種具備雙起重裝置的專用運輸車輛，可以從車輛側(cè)面起重作業(yè)，完成對集裝箱的裝、卸、運輸作業(yè)。整車外形如圖1所示。

圖1 整車外形圖

集裝箱側(cè)面起重運輸車主要工作原理及特點：從底盤變速器PTO口輸出動力，驅(qū)動雙聯(lián)齒輪泵，產(chǎn)生壓力油源，驅(qū)動起重機構(gòu)液壓缸，實現(xiàn)吊機的展收；雙起重裝置（前、后吊機）采用折臂式結(jié)構(gòu)形式，同步展收；上、下臂液壓缸聯(lián)動，可實現(xiàn)吊載物垂直升降；起重作業(yè)過程中，垂直支腿不得離開地面。作業(yè)工況如圖2、3所示。

圖2 作業(yè)工況圖

2 常規(guī)整體穩(wěn)定性計算方法

集裝箱側(cè)面起重運輸車簡化后的作業(yè)工況俯視圖如圖4所示。

圖3 作業(yè)工況俯視圖

圖4 簡化俯視圖

計算工況可分為：a.無風(fēng)試驗或運行；b.有風(fēng)工作或運行[2]；c.側(cè)坡試驗或運行。

下面以無風(fēng)試驗或運行工況為例，介紹作業(yè)穩(wěn)定性計算。展開水平支腿，伸出垂直支腿，支腳板在A、B、C、D四點將整車支起，所有輪胎離地，車架調(diào)整至水平狀態(tài)。

圖4中線段AB為傾覆線[1]，根據(jù)圖4可得公式：

式中，G0為底盤質(zhì)量，kg；G1為吊機臂架質(zhì)量，kg；G2為額定起重量，kg；L1為底盤質(zhì)心位置距離傾覆線AB的距離，mm；L2為前吊機質(zhì)心位置距離傾覆線AB的距離，mm；L3為集裝箱及貨物質(zhì)心位置距離傾覆線AB的距離，mm；Ms為穩(wěn)定力矩，kg·mm；Mt為傾翻力矩，kg·mm。

式(5)為在無風(fēng)試驗工況下傾翻力矩計算公式，1.25為額定載荷加載系數(shù)，0.1為臂架端部等效載荷系數(shù)，本文后述所有傾翻力矩計算公式中，系數(shù)1.25及0.1的含義均與式(5)相同。結(jié)合某型號集裝箱側(cè)面起重運輸車實際結(jié)構(gòu)尺寸，代入數(shù)值G0=845 kg,G1=13 220 kg,G2=24 000 kg，L1=2 538 mm,L2=834 mm,L3=800 mm。計算得出Mt= 25 352 000 kg·mm,Ms=34 961 820 kg·mm。

根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)公式[3]：

可見，穩(wěn)定性系數(shù)大于1，符合穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

但是，該型號集裝箱側(cè)面起重運輸車在實際工作中，卻出現(xiàn)了一個支腿離地的現(xiàn)象。對于具有單起重裝置的專用車輛（如汽車起重機），只要沒有發(fā)生整機傾翻，允許一個支腿離地或松動[4]，穩(wěn)定性為合格，沒有同步要求，故整體穩(wěn)定性計算方法適用于具有單起重裝置的專用車輛作業(yè)穩(wěn)定性計算；但對于具有雙起重裝置（前、后吊機）的集裝箱側(cè)面起重運輸車，在起吊集裝箱時，某一支腿離地，會出現(xiàn)前、后起重裝置不同步現(xiàn)象，影響起重作業(yè)的穩(wěn)定性及安全性。

3 原因分析

通常,集裝箱側(cè)面起重運輸車底盤質(zhì)心靠近前吊機中心線,為常量；集裝箱載荷大小及質(zhì)心位置為變量。當(dāng)集裝箱額定載荷G2不大，且集裝箱載荷質(zhì)心位置偏離靠前吊機中心線時(質(zhì)心偏離集裝箱中心誤差±10%)，采用整體穩(wěn)定性計算沒有問題。

當(dāng)集裝箱額定載荷G2較高，且集裝箱載荷質(zhì)心位置偏離靠近后吊機中心線時，則有可能整體穩(wěn)定性計算合格，但后吊機支腿出現(xiàn)抬腿、離地現(xiàn)象（如圖4中支腿C離地），這樣會導(dǎo)致前、后吊機起吊點運動不同步。

產(chǎn)生此問題的根本原因在于：底盤基本布置形式是動力系統(tǒng)、駕駛室、變速器等質(zhì)量較大的部件布置在底盤的前部，底盤尾部僅有后橋、輪胎、懸架、備胎等部件，底盤的整備質(zhì)量在長度方向分布不均衡，前重后輕。

4 前、后起重裝置分別計算穩(wěn)定性

根據(jù)靜力的分解原理如圖5所示。G0可分解為G01、G02；G2可 分解為G21、G22，列公式如下。

圖5 分解原理圖

式中，G01、G02為G0的分力；G21、G22為G2的分力 ；A1為G0距離前吊機中心線距離；A2為G0距離后吊機中心線距離；A3為G2距離前吊機中心線距離；A4為G2距離后吊機中心線距離；A為前、后吊機中心線距離。

4.1 前起重裝置穩(wěn)定性計算

根據(jù)力矩公式：

式中，Ms1為穩(wěn)定力矩，kg·mm；Mt1為傾翻力矩，kg·mm。

代入數(shù)值：A=6 747 mm,A1=2 175 mm,A2=4 572 mm,A3=4048 mm,A4=2 699 mm,H=3 105 mm ,可計算出：G01=8 958 kg,G02= 4 262 kg,G21= 9 601 kg,G22= 14 399 kg；Ms1=23 440 967 kg·mm；Mt1=9 668 311 kg·mm。

可以求得，前吊機穩(wěn)定系數(shù)為2.42[3]，大于1，符合穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 后起重裝置穩(wěn)定性計算

根據(jù)力矩公式：

式中，Ms2為 穩(wěn)定力矩，kg·mm；Mt2為傾翻力矩，kg·mm。

代入數(shù)值，得到Ms2= 11 521 686 kg·mm，Mt2=14 466 889 kg·mm。

計算可得，后起重裝置穩(wěn)定系數(shù)為0.8[3]，小于1，不符合穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求。

由此可知，按前、后起重裝置分別計算穩(wěn)定性系數(shù)，可以計算出前吊機穩(wěn)定性系數(shù)大于1，后吊機穩(wěn)定性系數(shù)小于1，這與實際情況相符。

4.3 改進后重新計算后起重裝置穩(wěn)定性

改進設(shè)計的可能方案有：a. 增加后支腿跨距；b. 與底盤廠家溝通，調(diào)整整車質(zhì)量分布，使底盤質(zhì)心位置盡量靠近前后吊機的中間位置；c. 在底盤尾部，增加一定質(zhì)量的配重。

考慮到底盤為批量定型產(chǎn)品，調(diào)整質(zhì)心位置，難度太大；另外增加配重的方案會造成整車超重，與輕量化及節(jié)能降耗的設(shè)計理念不符，故采用增加后支腿跨距的改進方案：將后支腿支撐點B向外移200 mm，后起重裝置支腿跨距H1=3 305 mm，調(diào)整后俯視圖如圖6所示。

圖6 調(diào)整后俯視圖

式中，L4為G22距 離后起重裝置傾覆點B的距離，L4=600 mm；L5為G1距 離后起重裝置傾覆點B的距離，L5=1 034 mm；L6為G02距 離后起重裝置傾覆點B的距離，L6=2 738 mm；Ms3為 穩(wěn)定力矩，kg·mm；Mt3為傾翻力矩，kg·mm。

代入數(shù)值，計算得到：Ms3=12 543 086 kg·mm，Mt3=10 850 166 kg·mm。

可以求得，后起重裝置穩(wěn)定系數(shù)=1.16[3]，大于1，符合穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求。至此，前、后起重裝置穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，無支腿離地現(xiàn)象出現(xiàn)，保證了前、后起重裝置的同步性及安全性。

5 驗證

現(xiàn)用支腿反力驗算上述兩種方法的適用性，支腿反力為負值，則表明該支腿離地。

5.1 后起重裝置支腿跨距未增加時（圖5所示）

根據(jù)支腿反力計算公式[5]：

式中，Na0為 支腿A的支腿反力；Nb0為支腿B的支腿反力；Nc0為 支腿C的支腿反力；Nd0為支腿D的支腿反力。

代入數(shù)值，經(jīng)過計算得到：Na0= 17 347 kg，Nb0=24 033 kg，Nc0= ﹣927 kg，Nd0=4457 kg。

Nc0＜0，支腿C的支腿反力小于0，其余支腿反力均大于0，支腿C出現(xiàn)離地現(xiàn)象。

5.2 后起重裝置支腿跨距增加后（圖6所示）

根據(jù)支腿反力計算公式[5]：

式中，Na1為 支腿A的支腿反力；Nb1為支腿B的支腿反力；Nc1為 支腿C的支腿反力；Nd1為支腿D的支腿反力。

代入數(shù)值，經(jīng)過計算得到：Na1= 17 347 kg，Nb1=22 578 kg，Nc1= 527 kg，Nd1=17 347 kg。

所有支腿反力均大于0，沒有出現(xiàn)支腿離地現(xiàn)象。故采用增加后起重裝置支腿跨距的辦法，可以解決支腿離地，前、后起重裝置不同步的問題。從理論上驗證了前、后起重裝置分別計算穩(wěn)定性的方法適用于集裝箱側(cè)面起重運輸車作業(yè)穩(wěn)定性計算；整體穩(wěn)定性計算方法不適用于集裝箱側(cè)面起重運輸車作業(yè)穩(wěn)定性計算。

6 結(jié)語

a. 類似上述計算方法，可以對有風(fēng)工作或運行、側(cè)坡試驗或運行工況進行整車作業(yè)穩(wěn)定性計算。不同之處在于有風(fēng)工作或運行工況額定載荷加載系數(shù)為1.1，還要考慮最不利方向的風(fēng)載[2]；側(cè)坡試驗或運行工況，主要考慮側(cè)坡角度的影響，在此不再贅述；

b. 支腿跨距參數(shù)的修正，除了考慮各種工況下整車作業(yè)穩(wěn)定性因素，還需要考慮到支腿收攏狀態(tài)，最大外廓尺寸小于2 550 mm的限制[6]；

c. 按后支腿跨距增加改進方案實施，產(chǎn)品在后續(xù)定型試驗中，整車作業(yè)穩(wěn)定性均通過了測試，未出現(xiàn)支腿離地現(xiàn)象。

綜上所述，采用前、后起重裝置分別計算作業(yè)穩(wěn)定性的方法，適用于集裝箱側(cè)面起重運輸車作業(yè)穩(wěn)定性的計算。