基于ANSYS的20英尺船用集裝箱轉(zhuǎn)運裝置的分析與設(shè)計

楊曉一，郭光輝，鄭 俊

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2.上海海迅機電工程有限公司，上海 201111）

0 引言

隨著改革開放的不斷深化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國船舶工業(yè)得到了快速的發(fā)展，但在船用集裝箱短途運輸領(lǐng)域，船用機械裝備和技術(shù)的發(fā)展有限。船用和港口集裝箱裝卸技術(shù)水平不夠先進(jìn)，絕大多數(shù)集裝箱運輸車輛本身不具備自裝卸能力，需要依靠其他機械或人工輔助裝卸，這降低了集裝箱的轉(zhuǎn)運效率，還在轉(zhuǎn)運和裝卸過程中產(chǎn)生大額的裝卸費用。近年來，我國也大力發(fā)展了船用集裝箱運輸輔助行業(yè)，研制了大型叉車、正面吊、起重機等機械裝備，但復(fù)雜的船用運輸環(huán)境制約了這些大型裝卸設(shè)備的使用。針對這個問題，本文設(shè)計了一種船用集裝箱自裝卸裝置，其具有裝卸效率高、運營成本低、安全、可靠、應(yīng)用范圍廣等特點，對我國現(xiàn)階段船用機械裝備業(yè)的快速發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。

1 集裝箱轉(zhuǎn)運裝置主要技術(shù)參數(shù)

20英尺船用集裝箱轉(zhuǎn)運裝置總體性能參數(shù)如下：額定搬運質(zhì)量為 20 000 kg；整備質(zhì)量為10 000 kg；后軸距為4 030 mm；左右轉(zhuǎn)盤距為1 400 mm；左右輪距為1 000 mm；整車長度為7 025 mm；整車寬度為2 800 mm；整車高度（不裝載集裝箱時）為1 100 mm；整車高度（裝載集裝箱時）為3 550 mm；最小離地間隙為320 mm。

2 集裝箱轉(zhuǎn)運裝置的功能特性

2.1 功能特征

該轉(zhuǎn)運裝置應(yīng)能實現(xiàn) 20英尺集裝箱、方艙等物資在各類船舶甲板以及碼頭的水平轉(zhuǎn)運，并能借助20 t防爆貨物升降機等實現(xiàn)20英尺集裝箱、方艙等的垂直轉(zhuǎn)運。

該裝置的基本功能如下：

1）轉(zhuǎn)運能力：可轉(zhuǎn)運額定質(zhì)量≤20 t的 20英尺集裝箱1只。

2）在九級海況下安全系固。

3）在平靜海況下（橫傾不大于 5°，縱傾不大于2°）能夠正常操作使用。

4）擁有2種行走方式：（1）自行走，在轉(zhuǎn)運裝置滿載的情況下，能借助牽引力不大于 100 kN的外部牽引載荷順利爬坡；（2）絞車牽引，在轉(zhuǎn)運裝置滿載的情況下，能在牽引力不大于15 kN的外部絞車牽引下順利行走于各甲板面。

5）剎車：自行時，實時控制車速；牽引時，與叉車同步。

6）駐車：停車時駐車，與行走機構(gòu)聯(lián)鎖；車輛爬坡或下坡過程中若失去動力，能防止車輛滑下斜坡。

7）裝卸：借助自身裝置，機構(gòu)實現(xiàn)集裝箱裝卸時的提升、下放、找準(zhǔn)對中和微調(diào)等。

8）操作：通過遙控盒控制轉(zhuǎn)運裝置進(jìn)行自行走、剎車和轉(zhuǎn)向，遙控盒有急停按鈕，在緊急情況下可執(zhí)行剎車鎖死；車兩側(cè)配急停按鈕。

9）信號：遙控盒顯示屏可顯示故障報警（如加熱器故障等）和運行狀態(tài)（如油位、電源、速度、壓力、角度等）等；面板可顯示當(dāng)前運行狀態(tài)，包含當(dāng)前處于前進(jìn)還是倒車，自行走還是無動力牽引，并可以顯示速度、輪胎轉(zhuǎn)角等狀態(tài)信息；裝置具有綜合聲光報警功能，并能消音；轉(zhuǎn)運車車體有轉(zhuǎn)向燈、倒車燈等警示燈。

10）聯(lián)鎖：駐車和運行聯(lián)鎖；運行和裝卸聯(lián)鎖；自行走和叉車牽引聯(lián)鎖；遙控盒有防止誤操作功能。

11）轉(zhuǎn)向能力：裝置自行走時，能夠?qū)崿F(xiàn)同軸車輪同步轉(zhuǎn)向；裝置具有全驅(qū)能力，各輪組有獨立驅(qū)動能力；各輪胎能獨立轉(zhuǎn)向，裝置能橫向平移、原地回轉(zhuǎn)、前進(jìn)后退等。

12）通行能力：裝置能順利通過舷側(cè)門、跳板和塢艙斜坡。

2.2 技術(shù)特性

20英尺船用集裝箱轉(zhuǎn)運裝置應(yīng)具有體積小、重量輕、操控靈便等特點，并能夠轉(zhuǎn)運最大質(zhì)量不超過20 t的20英尺集裝箱、方艙等包裝物資。在平靜海況下，使用該裝置可在碼頭和船、船內(nèi)部間轉(zhuǎn)運集裝箱。

該裝置的技術(shù)特性如下：

1）防爆要求：距甲板以上0.5 m范圍內(nèi)1類防爆；除距甲板以上0.5 m范圍以外區(qū)域2類防爆。

2）20 t滿載時，裝置在各路面上的自行走額定速度為3 km/h，最大速度為4 km/h。

3）絞車牽引轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)彎半徑約15 m。

4）通行能力：輪壓最大軸載荷≤14 t；輪壓≤1 000 kPa。

5）越障能力≥0.1 m。

6）越溝能力≥0.1 m。

7）同軸車輪同步轉(zhuǎn)向角度≥90°。

8）單次持續(xù)工作時間不小于4 h。

9）爬坡：20 t載重時，使用不大于100 kN牽引力的絞車協(xié)助爬坡時，可爬上坡度不大于18°的斜坡；自行走時，可爬上坡度不大于5°的斜坡。

10）噪聲：額定工況下，整車空氣噪聲≤90dB(A)。

3 集裝箱轉(zhuǎn)運裝置的結(jié)構(gòu)原理

本集裝箱轉(zhuǎn)運裝置分為上車和下車2部分。下車部分為轉(zhuǎn)運車底盤，采用平板車形式，共采用4組獨立的轉(zhuǎn)向驅(qū)動單元，前后各有2組獨立轉(zhuǎn)向驅(qū)動單元分別置于盤式轉(zhuǎn)向架上，可以滿足牽引轉(zhuǎn)向的需要。下車中間部分為發(fā)動機動力總成及液壓系統(tǒng)。上車部分為集裝箱自裝卸裝置，利用自身機構(gòu)即可完成裝卸。上車自裝卸裝置可與下車分離，下車單獨作業(yè)。整車采用遙控操作方式，可實現(xiàn)各種操作功能，裝置采用整車防爆措施。轉(zhuǎn)運裝置組成部分見圖1，總體布置圖見圖2。

圖1 集裝箱轉(zhuǎn)運裝置組成

圖2 集裝箱轉(zhuǎn)運裝置總體布置圖

3.1 自裝卸裝置

集裝箱自裝卸裝置可以與底盤分離，此時車輛只有運輸功能。該裝置采用U型框架結(jié)構(gòu)，具有橫向驅(qū)動、縱向張合、整體支撐、掛點鎖定和整體提升的功能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自裝卸裝置結(jié)構(gòu)圖

1）橫向驅(qū)動。自裝卸裝置采用2個輪邊液壓馬達(dá)驅(qū)動滾輪在底盤橫軌上移動，此時將兩端支腿滾輪放置于地面，支撐自裝卸裝置整體橫移出車輛底盤。

2）縱向張合。自裝卸裝置采用油缸驅(qū)動的方式縱向張開和收縮兩端橫臂，以適應(yīng)集裝箱寬度。

3）整體支撐。采用4個油缸整體支撐自裝卸裝置。

4）掛點鎖定。提升架與集裝箱底部掛點聯(lián)接，可以實現(xiàn)掛點掛入和旋轉(zhuǎn)鎖定的功能。

5）整體提升。4個多級缸同步升降，可將集裝箱提升至高于轉(zhuǎn)運車底盤的高度。

3.2 轉(zhuǎn)運車底盤

轉(zhuǎn)運車底盤中部布置動力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，車架前后分別通過回轉(zhuǎn)支撐與牽引轉(zhuǎn)向裝置連接，牽引轉(zhuǎn)向裝置下部左右分別聯(lián)接4組獨立回轉(zhuǎn)驅(qū)動單元。自行走時，牽引轉(zhuǎn)向裝置鎖定，轉(zhuǎn)向驅(qū)動單元工作，實現(xiàn)行走和上下坡；絞車牽引時，牽引轉(zhuǎn)向裝置工作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

3.2.1 行走驅(qū)動系統(tǒng)

行走驅(qū)動系統(tǒng)主要由變量液壓泵、液壓馬達(dá)、油箱、過濾器、傳動裝置、冷卻器和聯(lián)接管道構(gòu)成。液壓泵和液壓馬達(dá)的殼體上附有補油泵、補油閥、安全閥和變量控制裝置等元件，從而構(gòu)成完整的液壓系統(tǒng)。液壓泵和液壓馬達(dá)都是精密的部件，為保證其正常運轉(zhuǎn)，維持工作油液的清潔度是至關(guān)重要的。為此，車輛的液壓系統(tǒng)中安裝了2個過濾器?？汕逑吹奈痛譃V器裝于液壓油箱內(nèi)，它可以阻止大尺寸污物進(jìn)入液壓泵吸油管路。在變量泵的補油油路中，安裝了精度為10 μm的一次性濾油器，該濾油器安裝在變量泵上。為了維持液壓系統(tǒng)的正常油溫，系統(tǒng)裝有帶溫控器的液壓油冷卻器，可將液壓系統(tǒng)油溫有效控制在正常溫度范圍內(nèi)。該行走驅(qū)動系統(tǒng)可實現(xiàn)一系列功能，主要包括 1）無級調(diào)節(jié)傳動系統(tǒng)的總傳動比，連續(xù)改變車輛的速度和牽引力；2）變換行駛方向；3）發(fā)動機功率與車輛速度和牽引力之間的合理匹配；4）保護(hù)發(fā)動機和傳動系統(tǒng)不過載。

3.2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運車有自行走和牽引2種行駛模式。自行走模式下，采用4組獨立的轉(zhuǎn)向驅(qū)動單元組合完成多種轉(zhuǎn)向動作，如前輪轉(zhuǎn)向、斜行轉(zhuǎn)向、向心轉(zhuǎn)向等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向泵、單穩(wěn)分流閥（含安全閥）、轉(zhuǎn)向馬達(dá)等組成。使4組獨立轉(zhuǎn)向單元回轉(zhuǎn)至中位，選擇轉(zhuǎn)向模式，由控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)向幾何模型控制4組轉(zhuǎn)向單元各自的轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向方向。將4組獨立轉(zhuǎn)向單元鎖定，驅(qū)動處于滑行狀態(tài)時，可以采用前后盤式轉(zhuǎn)向架實現(xiàn)牽引過程中的整體轉(zhuǎn)向。

3.2.3 懸掛系統(tǒng)

懸掛系統(tǒng)可通過升降調(diào)整底盤高度，確保輪胎與地面充分接觸，保持集裝箱運輸?shù)钠椒€(wěn)性。

3.2.4 制動系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運車設(shè)有2套獨立的制動系統(tǒng)。

1）動力制動系統(tǒng)。由于采用可逆向傳遞動力的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，當(dāng)變量泵的輸出流量少于與實時車速對應(yīng)的馬達(dá)所需流量時，馬達(dá)和泵的功能換位，液壓系統(tǒng)將吸收機組動能，通過發(fā)動機的動力制動作用使車輛減速；當(dāng)變量泵的排量為零時，車輛完全制動。閉式油路上的安全閥可防止系統(tǒng)壓力過高而損壞液壓元件。駕駛員可連續(xù)控制車輛從起步加速至某一速度和從某一速度減速至停車的全過程，不僅操作方便，而且不發(fā)生零部件的附加磨損。

2）駐車制動系統(tǒng)。馬達(dá)上裝有駐車制動器，由主泵控制油路供油，并由換向閥控制該制動器，接通壓力油時解除制動，失壓時實現(xiàn)制動。當(dāng)發(fā)動機熄火或行駛液壓驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時，該制動器將自動處于制動狀態(tài)，從而確保機組坡停不溜車。

3.2.5 應(yīng)急保障系統(tǒng)

當(dāng)發(fā)動機熄火或行駛液壓驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障，制動器處于制動狀態(tài)時，如果需要移動車輛，必需要解除駐車制動。本車設(shè)有手動液壓泵、應(yīng)急解脫閥和截止閥，在液壓系統(tǒng)失效時提供解脫駐車制動器的液壓動力。

3.2.6 液壓系統(tǒng)

行走、轉(zhuǎn)向的液壓驅(qū)動由液壓變速傳動裝置完成。本車底盤的傳動系統(tǒng)中，車輛速度由發(fā)動機轉(zhuǎn)速和液壓傳動裝置的傳動比（液壓馬達(dá)的排量與液壓泵的排量之比）綜合調(diào)節(jié)。在發(fā)動機不工作或怠速運轉(zhuǎn)時，液壓泵的斜盤傾角為零，沒有油量輸出，車輛停止。當(dāng)駕駛員加大油門，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升并達(dá)到1 100 r/min～1 200 r/min（起調(diào)轉(zhuǎn)速）后，變量泵上的補油泵輸出控制油，在控制閥內(nèi)的節(jié)流口兩側(cè)建立了足以使斜盤偏轉(zhuǎn)的壓力差，液壓馬達(dá)開始旋轉(zhuǎn)，車輛隨之起步行駛。發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過起調(diào)轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高將通過控制裝置使變量泵排量增加。發(fā)動機轉(zhuǎn)速增高、液壓泵排量增大和液壓馬達(dá)數(shù)量減少，這3方面的變化促使車速提高。而當(dāng)牽引載荷增加到一定程度后，液壓反饋系統(tǒng)又能使變量泵排量自動減小，從而降低車速，使發(fā)動機不致因超載而熄火。

本轉(zhuǎn)運車的液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用調(diào)速柔和、動力制動性良好的閉式油路，故需選用具有雙向調(diào)節(jié)能力和帶補油泵的通軸式變量泵，以兼?zhèn)湔{(diào)速、制動和換向的功能。

該集裝箱轉(zhuǎn)運裝置轉(zhuǎn)運車部分的液壓原理見圖4，自裝卸部分的液壓原理見圖5。

3.3 電氣控制系統(tǒng)

圖4 集裝箱轉(zhuǎn)運裝置轉(zhuǎn)運車部分液壓原理圖

圖5 集裝箱轉(zhuǎn)運裝置自裝卸部分液壓原理圖

該集裝箱轉(zhuǎn)運裝置的控制系統(tǒng)由電源、微電控制系統(tǒng)、電氣操作機構(gòu)、安全裝置等組成?？刂葡到y(tǒng)主要采用 CAN總線分散控制，簡化了線束，提高了整車電氣線路的可靠性、安全性和可維修性，具有數(shù)據(jù)共享和配置靈活的特點。CAN總線為車內(nèi)各種電子設(shè)備、控制器、測量儀器等提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換渠道?？刂葡到y(tǒng)采用工程機械專用控制器，具有可靠性高、控制方便、編程簡單等特點?？刂葡到y(tǒng)主要控制液壓泵、液壓馬達(dá)和液壓閥等執(zhí)行機構(gòu)，并可采集壓力、位置、速度等信號。電氣控制系統(tǒng)具有以下功能：1）控制功能，即對發(fā)動機、泵、馬達(dá)、控制閥和整機進(jìn)行復(fù)合控制；2）檢測和保護(hù)功能，即通過一系列傳感器和開關(guān)對發(fā)動機和液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測和保護(hù)；3）其他功能，包括報警、指示燈控制、發(fā)動機啟停保護(hù)等。圖6為該集裝箱轉(zhuǎn)運裝置的電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

3.3.2 防爆系統(tǒng)

圖6 電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

該20英尺船用集裝箱轉(zhuǎn)運裝置可在存在易燃、易揮發(fā)氣體的船艙內(nèi)工作，其工作環(huán)境屬于易燃易爆環(huán)境，故要求該轉(zhuǎn)運裝置具備相應(yīng)的防爆等級。該轉(zhuǎn)運裝置的防爆等級為2級（GB 19854—2018《爆炸性環(huán)境用工業(yè)車輛防爆技術(shù)通則》），可在1區(qū)和2區(qū)使用；該裝置的電氣件防爆等級要求是ExdⅡBT4（GB 3836.2—2010《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第二部分隔爆型“d”》），即采用隔爆（d）的防爆方式；易燃?xì)怏w組別II B（油氣環(huán)境）；該裝置溫度組別為T4，表面溫度不超過135 ℃。本裝置采用經(jīng)防爆改裝、尺寸較小的發(fā)動機，其防爆系統(tǒng)如圖7所示，可確保安全。

圖7 柴油發(fā)動機防爆系統(tǒng)

4 集裝箱轉(zhuǎn)運裝置主要部件的設(shè)計與分析

集裝箱轉(zhuǎn)運裝置的底盤車架和牽引轉(zhuǎn)向裝置是主要承力構(gòu)件，其設(shè)計是整車設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。

4.1 主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1.1 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

車架是整個裝置的支承部分，它承受整車的自重及各工況條件下負(fù)載的質(zhì)量，同時，車架將車上載荷傳遞到前后牽引轉(zhuǎn)向裝置，使集裝箱轉(zhuǎn)運車穩(wěn)定地支承在地面上工作。車架的損壞以局部結(jié)構(gòu)的疲勞破壞為主。因此，車架應(yīng)具有足夠的強度與剛度，且機構(gòu)配置應(yīng)合理，使車架具有良好的力學(xué)性能[1]。

該集裝箱轉(zhuǎn)運車車架采用整體布置方式，在進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中首先考慮以下因素：1）保證轉(zhuǎn)運車額定承載時，車架具有足夠的抗彎、抗扭能力，工作過程中，各結(jié)構(gòu)件不會發(fā)生疲勞破壞；2）保證轉(zhuǎn)運車在額定承載時，整車的縱向結(jié)構(gòu)可以在自重作用下穩(wěn)定支撐，防止傾翻；3）保證空載時整車重心位于縱向幾何中心面內(nèi)，使整車橫向質(zhì)量分布協(xié)調(diào)，左右不出現(xiàn)較大的偏載。

轉(zhuǎn)運車車架采用鋼板和型材焊接的形式，主體為抗彎、抗扭箱形梁結(jié)構(gòu)，左右結(jié)構(gòu)對稱。邊梁采用前后貫通的矩形管和整塊厚鋼板焊接的結(jié)構(gòu)，前后支撐也采用矩形管和厚鋼板結(jié)合的結(jié)構(gòu)，具有較優(yōu)的力學(xué)性能。

4.1.2 牽引轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

牽引轉(zhuǎn)向裝置上部通過回轉(zhuǎn)支撐與車架聯(lián)接，下部通過2個回轉(zhuǎn)支撐與驅(qū)動單元聯(lián)接，受力情況復(fù)雜。其主體采用矩形管和鋼板焊接結(jié)構(gòu)，具有較優(yōu)的力學(xué)性能。

4.2 主要部件結(jié)構(gòu)的有限元分析

4.2.1 車架結(jié)構(gòu)強度分析

對車架結(jié)構(gòu)的分析，不僅需要考慮所有的結(jié)構(gòu)件和機構(gòu)，而且需要考慮作業(yè)過程中的不同載荷工況。車架作為整車的主承力骨架，承受著各子結(jié)構(gòu)的靜力和動力載荷，同時也承受著來自前后驅(qū)動輪、發(fā)動機、液壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向裝置的作用力。要對其進(jìn)行靜強度分析，首要條件是找出車架的外部載荷條件，即找出與車架相連著的、對車架受力和變形有較大影響的各總成在整車靜止?fàn)顟B(tài)下作用在車架上的力、力矩（包括其大小和方向）。通過對各總成進(jìn)行受力分析，即可達(dá)到上述目的。對于車架來說，轉(zhuǎn)運車承受集裝箱額定載荷20 000 kg時，受力情況最為惡劣。按照工況條件設(shè)定配置方式，分析步驟如下。

1）設(shè)定模型的材料屬性。車架選用Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼，在SolidWorks中建立三維模型，然后導(dǎo)入 ANSYS-Workbench中，按照所用材料的參數(shù)新建一個材料，命名為Q345。設(shè)定材料的彈性模量為 206 GPa，泊松比為 0.3，材料密度為7.85×10-6kg/mm3。

2）設(shè)定約束和載荷條件。轉(zhuǎn)運車在靜止情況下，車架保持水平。選擇車架上表面為受力基準(zhǔn)面，便于施加載荷時確定載荷方向。在轉(zhuǎn)運車工作過程中，通過前后回轉(zhuǎn)支撐、牽引轉(zhuǎn)向裝置和4個獨立的回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置將車架穩(wěn)定地支撐在地面上。由于分析對象不包含牽引轉(zhuǎn)向裝置和4個獨立的回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，因此可以在前后回轉(zhuǎn)支撐與車架的作用面上施加固定約束，限制其3個平移自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度。通過這種方式可以近似模擬前后回轉(zhuǎn)支撐對車架的作用。在底盤上表面加載20 000 kg負(fù)載，等效為在車架上表面施加18 405 Pa的均布載荷。

3）網(wǎng)格劃分

對模型施加約束和載荷后，開始正式劃分網(wǎng)格。由于車架模型結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此采用實體單元網(wǎng)格類型[2]，車架網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

圖8 車架網(wǎng)格劃分

4）分析結(jié)果

圖8所示情況是假設(shè)車架兩側(cè)上表面受力、中部表面不受力的極端情況。從圖9所示車架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖上可以看出，在該工況條件下，車架最大應(yīng)力小于 318.1 MPa。而實際情況中車架整個上表面均可分載載荷，受力狀況會改善很多。此外，最大應(yīng)力小于車架材料的極限屈服應(yīng)力，在實際結(jié)構(gòu)中，焊縫材料會進(jìn)一步加強該部分結(jié)構(gòu)，且裝配的其他零部件均能起到過約束的作用，可大大改善車架的承載能力，因此車架的實際應(yīng)力會遠(yuǎn)小于該值[3]。從圖10所示車架的結(jié)構(gòu)最大變形云圖上可以看出，車架整體變形較小，說明車架結(jié)構(gòu)具有較好的剛性[4]。故此種車架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計技術(shù)要求。

圖9 車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10 車架結(jié)構(gòu)變形云圖

4.2.2 牽引轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)強度分析

底盤的前后牽引轉(zhuǎn)向裝置下回轉(zhuǎn)架承載車架上裝負(fù)載，并通過4個獨立的回轉(zhuǎn)驅(qū)動單元支撐在地面上。對于牽引轉(zhuǎn)向裝置來說，轉(zhuǎn)運車承受集裝箱額定載荷20 000 kg時，下回轉(zhuǎn)架受力情況最為惡劣。按照工況條件設(shè)定配置方式，分析步驟如下。

1）設(shè)定模型的材料屬性

牽引轉(zhuǎn)向裝置模型的材料屬性與車架模型的材料屬性相同。

2）設(shè)定約束和載荷條件

轉(zhuǎn)運車在靜止情況下，車架保持水平。由于分析對象不包含前后回轉(zhuǎn)支撐和2個獨立的回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，因此可以在2個獨立回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的作用面上施加固定約束，限制其3個平移自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度。通過這種方式可近似模擬2個獨立回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置對牽引轉(zhuǎn)向裝置下回轉(zhuǎn)架的作用[5]?？紤]到轉(zhuǎn)運車上坡等極端工況下，2個下回轉(zhuǎn)架中僅有1個獨立承載載荷，在牽引轉(zhuǎn)向裝置下回轉(zhuǎn)架上回轉(zhuǎn)支撐面上加載20 000 kg負(fù)載，等效為18 405 Pa的均布載荷。

3）網(wǎng)格劃分

對三維模型施加約束和載荷后，就開始正式劃分網(wǎng)格。由于牽引轉(zhuǎn)向裝置模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用實體單元網(wǎng)格類型，牽引轉(zhuǎn)向裝置網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖11所示。

圖11 下回轉(zhuǎn)架網(wǎng)格劃分

4）分析結(jié)果

從圖12可以看出，在該工況條件下，牽引轉(zhuǎn)向裝置下回轉(zhuǎn)架絕大部分區(qū)域應(yīng)力小于1 MPa，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于下回轉(zhuǎn)架材料的極限屈服應(yīng)力。在實際結(jié)構(gòu)中，焊縫材料會進(jìn)一步加強該部分結(jié)構(gòu)，因此該部分的實際應(yīng)力會小于該值。從圖13可以看出，下回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)在此工況下整體變形位移量較小，有較好的剛度。故此結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，且為整車進(jìn)一步輕量化配置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化留下了很大的空間[6]。

圖12 下回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

圖13 下回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)位移云圖

5 結(jié)論

通過有限元軟件對集裝箱轉(zhuǎn)運裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行計算和分析，優(yōu)化了該集裝箱轉(zhuǎn)運裝置的結(jié)構(gòu)形式，減小了其主要部件的結(jié)構(gòu)尺寸，保證了足夠的安全系數(shù)，提高了其承載能力，增加了該裝置的應(yīng)用靈活性和可靠性。該裝置的設(shè)計可為船用機械裝備的技術(shù)創(chuàng)新提供參考。