輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板開裂問題分析與處理研究

摘 要：輪胎式集裝箱起重機(jī)經(jīng)長(zhǎng)期使用后將進(jìn)入疲勞狀態(tài)，并引發(fā)開裂問題，為避免疲勞開裂問題對(duì)工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生不利影響，需了解立柱隔板開裂問題影響因素及處理方法?；诖?，本文選取某輪胎式集裝箱起重機(jī)維修項(xiàng)目為研究對(duì)象，探析其立柱隔板開裂問題產(chǎn)生原因，并結(jié)合分析結(jié)果提出輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板處理方法，旨在規(guī)避立柱隔板疲勞開裂現(xiàn)象，改進(jìn)立柱隔板結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：輪胎式集裝箱起重機(jī);立柱隔板;開裂

引言：輪胎式集裝箱起重機(jī)作為港口集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)主要機(jī)械設(shè)備，其質(zhì)量關(guān)乎作業(yè)安全性及效率質(zhì)量，在本次立柱隔板研究中，選用有限元模型分析方法，借助ANSYS軟件展開綜合分析，解析輪胎式集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析立柱隔板開裂問題產(chǎn)生原因，避免因起重機(jī)長(zhǎng)期服役而縮短其使用壽命，并防止立柱隔板開裂問題引發(fā)安全事故。

1 輪胎式集裝箱起重機(jī)有限元模型分析

分析立柱隔板開裂問題產(chǎn)生原因時(shí)，應(yīng)明確輪胎式集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)，在本次維修項(xiàng)目中，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)耦合技術(shù)構(gòu)建輪胎式集裝箱起重機(jī)有限元模型，圍繞殼單元（SHELL63）、梁?jiǎn)卧˙EAM44）展開模型分析，在該輪胎式集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)中，殼單元用以模擬立柱隔板，梁?jiǎn)卧靡阅M大梁與立柱?？紤]到立柱隔板受力結(jié)構(gòu)，初步判斷起重機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同步與立柱隔板圓弧半徑可對(duì)疲勞開裂問題產(chǎn)生影響，為加以驗(yàn)證，后續(xù)將從這兩個(gè)角度展開計(jì)算分析，判斷以上兩個(gè)因素是否可對(duì)立柱隔板疲勞壽命產(chǎn)生干擾，逐步分析，最終得出輪胎式集裝箱起重機(jī)出現(xiàn)立柱隔板開裂問題的原因，且根據(jù)分析結(jié)果得出立柱隔板開裂問題預(yù)防方法。

SHELL63殼單元為彈性殼單元，具有薄膜、彎曲功能，存在4個(gè)節(jié)點(diǎn)，可形成法向載荷與平面載荷，同時(shí)4個(gè)節(jié)點(diǎn)各有6個(gè)自由度，各節(jié)點(diǎn)沿坐標(biāo)軸平移或繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，可產(chǎn)生變形特性與應(yīng)力剛化特性，SHELL63殼單元展開有限旋轉(zhuǎn)分析時(shí)，運(yùn)用一致切線剛度矩陣加快收斂速度。BEAM44梁?jiǎn)卧獮閺椥粤簡(jiǎn)卧?，具?D不對(duì)稱變截面，擁有拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓縮等功能，各節(jié)點(diǎn)均具有6個(gè)自由度，可沿坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)與位移，在BEAM44梁?jiǎn)卧?，?jié)點(diǎn)處幾何形狀呈現(xiàn)出非對(duì)稱特征，且各節(jié)點(diǎn)可相對(duì)于質(zhì)心產(chǎn)生偏移，擁有模擬起重機(jī)立柱結(jié)構(gòu)可表現(xiàn)出截面漸變特點(diǎn)。

圖1為輪胎式集裝箱起重機(jī)有限元模型及立柱隔板，為確保計(jì)算效果，明確立柱隔板應(yīng)力結(jié)構(gòu)，有限元模型中僅運(yùn)用SHELL63殼單元建立一根立柱模型，即圖1中黑色立柱，大梁及其余立柱均采用BEAM44梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，SHELL63殼單元與BEAM44梁?jiǎn)卧柚?jié)點(diǎn)耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)銜接，有限元模型具有空間坐標(biāo)方向，存在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向，其中，X、Z分別為小車軌道方向、大車移動(dòng)方向，而Y代表豎直方向。

2 輪胎式集裝箱起重機(jī)載荷分析

輪胎式集裝箱起重機(jī)運(yùn)行期間除受到小車、門框、吊具等豎直方向自重載荷外，還受到大車制動(dòng)、起動(dòng)所生成的水平載荷及起重機(jī)兩側(cè)電機(jī)不同步造成的位移載荷。在本次維修項(xiàng)目中，所涉及的起重機(jī)載荷及其數(shù)值為：起重機(jī)自身載荷220t、小車自重載荷37t、吊具系統(tǒng)載荷18t、額定起升載荷50t、大車水平載荷24.3t、不同步位移載荷200mm。本次有限元模型基于ANSYS軟件建立，為明確立柱隔板應(yīng)力結(jié)構(gòu)，除施加載荷外，需增設(shè)輪胎式集裝箱起重機(jī)自由度約束，以此確保計(jì)算效果。

3 立柱隔板應(yīng)力計(jì)算

3.1 電機(jī)不同步應(yīng)力計(jì)算

在立柱隔板電機(jī)不同步應(yīng)力計(jì)算時(shí)，僅考慮起重機(jī)自身載荷、小車自重載荷、吊具系統(tǒng)載荷、額定起升載荷、大車水平載荷，在輪胎式集裝箱起重機(jī)運(yùn)行期間，立柱隔板所承受最大應(yīng)力為中間立柱隔板處，在無不同步位移載荷情況（如圖2所示）下，最大應(yīng)力為45MPa，當(dāng)在起重機(jī)兩側(cè)加入不同步位移載荷后，立柱隔板最大應(yīng)力如圖3所示，出現(xiàn)在中間偏下處立柱隔板上，此時(shí)最大應(yīng)力數(shù)值約為186MPa，經(jīng)圖2、圖3直觀性對(duì)比后，可直觀判斷出電機(jī)不同步所產(chǎn)生的額外載荷，由此可判斷，起重機(jī)兩側(cè)電機(jī)不同步可促進(jìn)立柱隔板疲勞開裂問題的產(chǎn)生。

3.2 隔板圓弧半徑應(yīng)力計(jì)算

為更好地得出立柱隔板圓弧半徑對(duì)其所受應(yīng)力大小的影響，于立柱隔板轉(zhuǎn)角位置設(shè)置三角板，如圖4所示，未增加三角板結(jié)構(gòu)時(shí)，立柱隔板圓弧半徑為50mm，增加三角板結(jié)構(gòu)后，立柱隔板圓弧半徑為200mm，依據(jù)上述載荷大小，將載荷數(shù)據(jù)添加至有限元模型中，運(yùn)用ANSYS軟件分析增加三角板前后的立柱隔板最大應(yīng)力。

未增加三角板前，立柱隔板最大應(yīng)力為186MPa，增加三角板結(jié)構(gòu)后，采用ANSYS軟件展開分析，最終得出最大應(yīng)力縮減至59.97MPa，數(shù)據(jù)變化明顯，由此可見，輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板圓弧半徑數(shù)值大小可引起最大應(yīng)力變化，對(duì)最大應(yīng)力的削減效果較為顯著，在抑制輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板疲勞開裂問題時(shí)，應(yīng)注意增加立柱隔板圓弧半徑。

4 立柱隔板疲勞壽命分析

4.1 影響因素判定

輪胎式集裝箱起重機(jī)主要負(fù)責(zé)港口集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)工作，需重復(fù)性展開抓箱、放箱工作，導(dǎo)致起重機(jī)構(gòu)件在反復(fù)作業(yè)操作下承受循環(huán)應(yīng)力，經(jīng)上述計(jì)算可得，輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板最大應(yīng)力在全部載荷下可達(dá)186MPa，小于輪胎式集裝箱起重機(jī)機(jī)械靜強(qiáng)度許用值230MPa，但在長(zhǎng)期使用中輪胎式集裝箱起重機(jī)進(jìn)入疲勞運(yùn)行狀態(tài)，并產(chǎn)生疲勞開裂問題，由此可見，輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板疲勞壽命為造成疲勞開裂問題的主要因素之一。疲勞壽命主要與構(gòu)件外形結(jié)構(gòu)、截面尺寸、表面加工質(zhì)量有關(guān)，通常情況下，構(gòu)件外形結(jié)構(gòu)若導(dǎo)致立柱隔板應(yīng)力較為集中，則會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命較短，構(gòu)件截面尺寸與立柱隔板疲勞壽命成反比，即橫截面尺寸在滿足構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)的情況下越小，則疲勞壽命越大;加工質(zhì)量越高，則疲勞壽命越高。

上述計(jì)算分析的立柱隔板圓弧半徑屬于構(gòu)件外形，增加三角板結(jié)構(gòu)后，三角板結(jié)構(gòu)將立柱隔板所受應(yīng)力分散，避免了應(yīng)力集中情況出現(xiàn)，且不同圓弧半徑所產(chǎn)生應(yīng)力集中系數(shù)均有差異。應(yīng)力集中為局部應(yīng)力增高的情況，多出現(xiàn)在孔洞、溝槽、缺口、剛性約束等構(gòu)件形狀急劇變化的構(gòu)件位置，應(yīng)力集中現(xiàn)象將某區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中到一起，并產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，極易造成立柱隔板疲勞裂紋問題，甚至可引發(fā)脆性材料靜載斷裂問題。應(yīng)力集中應(yīng)力除受構(gòu)件幾何形狀影響外，還與加載方式有關(guān)，在機(jī)械構(gòu)件疲勞計(jì)算中，Kf應(yīng)力集中系數(shù)可影響集中應(yīng)力處最大應(yīng)力數(shù)值，繼而對(duì)立柱隔板疲勞壽命造成影響?！朵摻Y(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范（BS 7608-1993）》中指出，立柱隔板50mm轉(zhuǎn)角半徑所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)為Kf=3.6，上述增加三角板后，轉(zhuǎn)角半徑增加至200mm，此時(shí)有Kf=2.9，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范（BS 7608-1993）》中指出，當(dāng)立柱隔板轉(zhuǎn)角區(qū)域滿足C級(jí)疲勞等級(jí)時(shí)，此時(shí)立柱隔板構(gòu)件所受循環(huán)應(yīng)力為78MPa，立柱隔板疲勞壽命可達(dá)1000萬次[1]。

4.2 線性累積損傷

當(dāng)應(yīng)力循環(huán)至一定程度時(shí)，構(gòu)件所承受的循環(huán)應(yīng)力與疲勞損傷線性疊加，當(dāng)損傷累積至限定值時(shí)，立柱隔板構(gòu)件將發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象。設(shè)定某輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板共受個(gè)應(yīng)力水平，且各應(yīng)力水平下立柱隔板構(gòu)件具有個(gè)疲勞壽命等級(jí)，立柱隔板構(gòu)件循環(huán)次數(shù)依次為，此時(shí)各應(yīng)力水平下立柱隔板構(gòu)件所承受疲勞損傷為，總疲勞損傷有，疲勞損傷臨界值為1，當(dāng)疲勞損傷線性積累到一定程度時(shí)，則立柱隔板構(gòu)件會(huì)發(fā)生疲勞開裂問題，此為線性累積損傷理論下的立柱隔板開裂問題分析，雖該理論存在一定缺陷，無法確保疲勞損傷臨界值嚴(yán)格為1，同樣無法確保疲勞損傷累積為線性疊加，但該方式同樣可證明疲勞損傷對(duì)立柱隔板開裂問題影響，且適用于輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板工程要求。

4.3 計(jì)算疲勞壽命

為進(jìn)一步驗(yàn)證輪胎式集裝箱起重機(jī)立柱隔板的開裂問題產(chǎn)生原因，了解線性累積損傷對(duì)立柱隔板的疲勞損傷效果，將疲勞載荷設(shè)定為30萬次、40萬次、60萬次、70萬次四個(gè)等級(jí)，根據(jù)立柱隔板應(yīng)力，分別計(jì)算出四個(gè)疲勞載荷等級(jí)下疲勞壽命，設(shè)定三種工況，工況一：立柱隔板轉(zhuǎn)角半徑50mm、不含不同步位移載荷;工況二：立柱隔板轉(zhuǎn)角半徑50mm、包含不同步位移載荷;工況三：立柱隔板轉(zhuǎn)角半徑200mm、不含不同步位移載荷[2]。工況一在四個(gè)疲勞載荷等級(jí)下的最大應(yīng)力分別為45MPa、28MPa、17MPa、9MPa;累積損傷分別為0.263、0.052、0.008、0.0002;工況二在四個(gè)疲勞載荷等級(jí)下的最大應(yīng)力分別為186MPa、144MPa、96MPa、63MPa;累積損傷分別為0.574、0.305、0.104、0.025;工況三在四個(gè)疲勞載荷等級(jí)下的最大應(yīng)力分別為60MPa、37MPa、25MPa、14MPa;累積損傷分別為0.374、0.076、0.022、0.002。經(jīng)上述數(shù)值可知，電機(jī)不同步且轉(zhuǎn)角半徑較小在無應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，立柱隔板仍會(huì)很快開裂，當(dāng)轉(zhuǎn)角半徑增加至200mm時(shí)，即便存在應(yīng)力集中，仍可延長(zhǎng)立柱隔板疲勞壽命約1倍。

5 立柱隔板開裂問題處理方法

經(jīng)上述計(jì)算分析可知，輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)立柱隔板開裂主要與轉(zhuǎn)角半徑、電機(jī)同步性有關(guān)，且疲勞壽命同樣會(huì)影響開裂效果，為規(guī)避立柱隔板開裂問題，應(yīng)在滿足機(jī)械構(gòu)件功能標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，盡可能增大立柱隔板轉(zhuǎn)角半徑，在上述計(jì)算中，當(dāng)轉(zhuǎn)角半徑由50mm增加至200mm時(shí)，最大應(yīng)力由186MPa降低至59.97MPa，因此在處理立柱隔板開裂問題時(shí)，應(yīng)將轉(zhuǎn)角半徑問題考慮在內(nèi)。上述工況一與工況二的差別在于立柱隔板是否含有不同步位移載荷，分析最大應(yīng)力及疲勞損傷計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)輪胎式集裝箱起重機(jī)電機(jī)同步性較弱時(shí)，產(chǎn)生不同步位移載荷，此時(shí)可促進(jìn)立柱隔板開裂問題的產(chǎn)生，因此為抑制立柱隔板開裂問題問題，應(yīng)確保輪胎式集裝箱起重機(jī)兩側(cè)電機(jī)同步性，消除不同步位移載荷。上述計(jì)算分析時(shí)，設(shè)定四種疲勞載荷，隨著疲勞載荷的變化而產(chǎn)生不同效果，為延長(zhǎng)疲勞壽命，應(yīng)盡可能提高疲勞等級(jí)，此時(shí)需加強(qiáng)立柱隔板構(gòu)件加工精度，通過提升構(gòu)件質(zhì)量，控制立柱隔板開裂問題的產(chǎn)生。

結(jié)束語：綜上所述，輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)立柱隔板開裂將對(duì)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)工作造成不利影響，產(chǎn)生安全隱患，不利于港口作業(yè)的開展，為避免立柱隔板開裂問題阻礙作業(yè)，需全面分析立柱隔板開裂問題出現(xiàn)原因，有針對(duì)性地做出調(diào)整優(yōu)化，完善機(jī)械結(jié)構(gòu)，延緩立柱隔板開裂問題產(chǎn)生時(shí)間，控制構(gòu)件轉(zhuǎn)角半徑，確保電機(jī)同步性，提高機(jī)械構(gòu)件精度，以此延長(zhǎng)輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]高學(xué)柳，劉楊，朱德平.輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)大車疑難故障解決方案[J].集裝箱化，2020，31（03）：23-25.

[2]孟凡青.岸邊集裝箱起重機(jī)維修改造[J].設(shè)備管理與維修，2020（04）：88-89.

作者簡(jiǎn)介：

顧陳棟 （1984.01-），男;籍貫：上海市崇明區(qū)，助理工程師，研究方向：港口機(jī)械設(shè)備的維修保養(yǎng)。

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）