大型裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算與改造

徐 鵬

秦皇島港股份有限公司技術(shù)設(shè)備部 河北秦皇島 066000

裝 船機(jī)是用于散料碼頭裝船時(shí)使用的大型散料裝卸機(jī)械[1]，常用于礦石和煤的運(yùn)輸。其外形高大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，迎風(fēng)面積大[2]，在突發(fā)性陣風(fēng)來臨時(shí)很容易遭受風(fēng)力的襲擊，因而其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性就顯得尤為重要。一旦裝船機(jī)出現(xiàn)意外，將直接影響碼頭的正常生產(chǎn)秩序，同時(shí)也給港口企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還可能造成重大的人員傷亡。秦港 SL2 裝船機(jī)已經(jīng)服役超過 20 a，期間經(jīng)過多次結(jié)構(gòu)改造，配重質(zhì)量也發(fā)生了變化，按照 JT/T 90—2008《港口裝卸機(jī)械風(fēng)載荷計(jì)算及防風(fēng)安全要求》和《港口大型機(jī)械防陣風(fēng)防臺(tái)風(fēng)管理規(guī)定》等文件，需要重新對(duì)其進(jìn)行防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算。筆者基于 GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和 ISO 5049-1:1994《移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)秦港 SL2裝船機(jī)進(jìn)行防風(fēng)穩(wěn)定性分析計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出增設(shè)防風(fēng)拉索的改造方案，并對(duì)防風(fēng)拉索連接座進(jìn)行了有限元分析。

1 裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算

裝船機(jī)的防風(fēng)穩(wěn)定性是指設(shè)備在風(fēng)載作用下的整體抗傾覆能力。在計(jì)算過程中，當(dāng)裝船機(jī)穩(wěn)定力矩的代數(shù)和大于傾覆力矩的代數(shù)和時(shí)，則認(rèn)為整機(jī)是穩(wěn)定的。

1.1 裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

表1 不同工況下的防風(fēng)穩(wěn)定性系數(shù)Tab.1 Wind-proof stability coefficient in various operation modes

由 GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和 ISO 5049-1:1994 《移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，暴風(fēng)工況下設(shè)備所受的風(fēng)載最大，為最危險(xiǎn)工況，必須對(duì)暴風(fēng)工況下的裝船機(jī)進(jìn)行防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算。此時(shí)裝船機(jī)為錨定狀態(tài)，固定臂架俯仰角度為 80°，通過掛鉤與人字架相連，伸縮臂架縮入固定臂架內(nèi)。暴風(fēng)工況屬于工況Ⅲ，根據(jù)表 1 可知其防風(fēng)穩(wěn)定性系數(shù)不小于 1.2。

1.2 裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算步驟

裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性的計(jì)算步驟如下：首先根據(jù)各部件重心計(jì)算整機(jī)重心，然后計(jì)算各部件的風(fēng)載以及因風(fēng)載產(chǎn)生的傾覆力矩，最后通過穩(wěn)定力矩和傾覆力矩的比值來判斷在暴風(fēng)工況下裝船機(jī)是否會(huì)發(fā)生傾覆。裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算示意如圖 1 所示，坐標(biāo)原點(diǎn)位于陸側(cè)門腿中心，x軸指向海側(cè)，軌距和基距均為 15 m。

圖1 裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算示意Fig.1 Sketch of calculation of wind-proof stability of ship-loader

已知裝船機(jī)各部件重量和重心坐標(biāo)，根據(jù)力矩平衡可按下式計(jì)算裝船機(jī)的重心坐標(biāo)：

式中：xi、yi和zi為裝船機(jī)部件i的重心坐標(biāo)；Gi為部件i的重量，i=1，2，…，n。

裝船機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含五大部件，分別為俯仰模塊、下部模塊、上部模塊、配重梁和溜筒。其中俯仰模塊包含固定臂架、伸縮臂架、機(jī)械電氣設(shè)備和帶式輸送機(jī)等；下部模塊包含走行機(jī)構(gòu)、陸側(cè)門腿、海側(cè)門腿、門架梁、機(jī)器房、電氣室、支撐平臺(tái)和梯子平臺(tái)等；上部模塊包含塔架結(jié)構(gòu)、司機(jī)室和梯子平臺(tái)等。裝船機(jī)整機(jī)及其部件的重心如表 2 所列。需要說明的是，溜筒和臂架并非剛性連接，需要單獨(dú)計(jì)算，并不包含在整機(jī)重量之內(nèi)。

表2 裝船機(jī)整機(jī)及其部件的重心Tab.2 Center of gravity of ship-loader and its components

暴風(fēng)工況下，依據(jù) GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照下式計(jì)算各個(gè)部件的風(fēng)載F：

其中

情境教學(xué)應(yīng)用在教學(xué)過程中有著非常好的作用，學(xué)生可以通過情境提高代入感，達(dá)到更高效的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)效果。但是，現(xiàn)階段情境教學(xué)的方法在數(shù)學(xué)教學(xué)中并沒有很好發(fā)揮出其作用，并且在教師使用這種方法的過程中存在一定的問題。

式中：A為迎風(fēng)面積；Cf為形狀系數(shù)；η為遮擋系數(shù)；p為風(fēng)壓；ρ為空氣密度；v為風(fēng)速。暴風(fēng)速度v為 55 m/s，空氣密度ρ為 1.25 kg/m3，則此工況下p=1 890.6 Pa。根據(jù)各部件所在高度H，可以計(jì)算因風(fēng)載產(chǎn)生的傾覆力矩

暴風(fēng)工況下裝船機(jī)風(fēng)載和傾覆力矩計(jì)算如表 3 所列，其中根據(jù)風(fēng)向分為 2 種工況。

表3 暴風(fēng)工況下裝船機(jī)風(fēng)載和傾覆力矩計(jì)算Tab.3 Calculation of wind load and overturning moment of ship-loader in violent wind mode

裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算如表 4 所列，其中穩(wěn)定力矩由整機(jī)自重產(chǎn)生，由于風(fēng)向不同會(huì)導(dǎo)致傾覆邊發(fā)生變化，根據(jù)裝船機(jī)重心坐標(biāo)以及軌距、基距，可計(jì)算得出不同的穩(wěn)定力矩。由于溜筒的重心坐標(biāo)在門腿范圍之外，當(dāng)傾覆邊為AB和BC(見圖 1) 時(shí)，溜筒重力產(chǎn)生的力矩為穩(wěn)定力矩；當(dāng)傾覆邊為CD(見圖 1)時(shí)，溜筒重力產(chǎn)生的力矩為傾覆力矩。在統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定力矩和傾覆力矩時(shí)分為 3 種工況，穩(wěn)定性系數(shù)為總的穩(wěn)定力矩與傾覆力矩的比值。

表4 裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算Tab.4 Calculation of wind-proof stability of ship-loader

由表 4 可知，該裝船機(jī)最小穩(wěn)定性系數(shù)為 1.19，接近表 1 中的許用穩(wěn)定性系數(shù) 1.2，但小于該閾值。由此可知，該裝船機(jī)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不符合暴風(fēng)工況下的防風(fēng)穩(wěn)定性要求，需要通過改造增大穩(wěn)定力矩，以提高防風(fēng)穩(wěn)定性系數(shù)。

2 裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性改造方案

為了提高裝船機(jī)的防風(fēng)穩(wěn)定性，考慮增設(shè)防風(fēng)裝置。港口設(shè)備的主要防風(fēng)裝置有輪邊制動(dòng)器、防爬鐵鞋、防風(fēng)拉索、夾軌器及錨定器等[3]。防風(fēng)拉索是一種常用的防風(fēng)裝置，這種裝置將起重機(jī)與碼頭連在一起，刮大風(fēng)時(shí)，防風(fēng)拉索給起重機(jī)一個(gè)向下垂直力，依賴這個(gè)力，起重機(jī)得以不翻車[4]。秦港 SL2 裝船機(jī)在改造過程中選用防風(fēng)拉索方案，增設(shè) 2 根防風(fēng)拉索，每根防風(fēng)拉索垂直拉力為 200 kN。增設(shè)防風(fēng)拉索前后穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比如表 5 所列。

表5 增設(shè)防風(fēng)拉索前后穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比Tab.5 Comparison of stability coefficient before and after addition of wind-proof cable

由表 5 可知，增設(shè)防風(fēng)拉索后，最小防風(fēng)穩(wěn)定性系數(shù)從 1.19 提高到 1.26，設(shè)備穩(wěn)定性顯著提高，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 防風(fēng)拉索連接座有限元分析

裝船機(jī)防風(fēng)拉索安裝示意如圖 2 所示。暴風(fēng)工況下防風(fēng)拉索為豎直狀態(tài)，其余工況下防風(fēng)拉索掛于走行裝置上。增設(shè)防風(fēng)拉索后，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的防風(fēng)拉索連接座，其中單耳板連接座安裝在裝船機(jī)走行裝置上，雙耳板連接座預(yù)埋在碼頭特定位置。兩種連接座均為焊接部件，需要用有限元法分析校核，確保其在垂直力作用下強(qiáng)度滿足要求。

圖2 防風(fēng)拉索安裝示意Fig.2 Installation sketch of wind-proof cable

3.1 連接座有限元建模

處理連接座幾何模型時(shí)，對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行了比較精確的建模，保證幾何模型與實(shí)際相符，單耳板連接座和雙耳板連接座的幾何模型分別如圖 3、4 所示。

圖3 單耳板連接座幾何模型Fig.3 Geometric model of single ear-plate joint

圖4 雙耳板連接座幾何模型Fig.4 Geometric model of double ear-plate joint

采用 NX NASTRAN 軟件進(jìn)行分析。連接座鋼板材料選用 Q345B，假定焊縫材料和鋼板材料相同，材料始終處于彈性范圍，且忽略材料的各向異性。Q345B 物性參數(shù)如表 6 所列。

表6 Q345B 物性參數(shù)Tab.6 Physical properties parameters of Q345B

暴風(fēng)工況下，單根防風(fēng)拉索的垂直拉力為 200 kN。對(duì)于單耳板連接座，載荷施加在連接孔位置，約束施加在與走行裝置的連接板上；對(duì)于雙耳板連接座，載荷施加在連接銷軸外表面上，約束施加在地腳螺栓孔位置。

3.2 連接座有限元分析結(jié)果

單耳板連接座等效應(yīng)力分布云圖如圖 5 所示。由圖 5 可知，最大等效應(yīng)力為 286.6 MPa，位于連接孔邊緣處。

圖5 單耳板連接座等效應(yīng)力分布云圖Fig.5 Distribution contours of equivalent stress of single ear-plate joint

雙耳板連接座等效應(yīng)力分布云圖如圖 6 所示。由圖 6 可知，最大等效應(yīng)力為 164.6 MPa，位于銷軸孔邊緣處。

圖6 雙耳板連接座等效應(yīng)力分布云圖Fig.6 Distribution contours of equivalent stress of double ear-plate joint

根據(jù) GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，暴風(fēng)工況屬于Ⅲ類工況，相應(yīng)厚度的 Q345B 許用應(yīng)力為 288.8 MPa，兩種連接座的最大應(yīng)力均小于該許用應(yīng)力值，現(xiàn)有連接座設(shè)計(jì)方案滿足載荷在 200 kN 條件下的強(qiáng)度要求。

4 改造效果

SL2 裝船機(jī)防風(fēng)拉索改造屬于秦港大型岸邊裝卸設(shè)備增設(shè)防風(fēng)裝置改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目竣工已近兩年。在防風(fēng)拉索的使用過程中，未發(fā)生較大局部變形等異常情況，經(jīng)過對(duì)防風(fēng)拉鎖連接座焊縫的無損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的缺陷，增設(shè)防風(fēng)拉鎖的改造方案滿足設(shè)備防風(fēng)穩(wěn)定性要求，增強(qiáng)了裝船機(jī)抵抗大風(fēng)的能力。

5 結(jié)論

基于 GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和ISO 5049-1:1994《移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)秦港 SL2 裝船機(jī)進(jìn)行了原設(shè)計(jì)和改造后的防風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算，并對(duì)增設(shè)的防風(fēng)拉索連接座進(jìn)行了有限元分析校核，得到以下結(jié)論。

(1) 裝船機(jī)增設(shè)防風(fēng)拉索后，最小穩(wěn)定性系數(shù)從1.19 提高到 1.26，裝船機(jī)防風(fēng)穩(wěn)定性明顯提高，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 防風(fēng)拉索連接座的有限元分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

(3) 防風(fēng)拉索改造方案近兩年的應(yīng)用效果表明，該方案滿足防風(fēng)穩(wěn)定性要求，增強(qiáng)了裝船機(jī)抵抗大風(fēng)的能力。