軌道式集裝箱門式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算及力學(xué)分析

薛闖，喬軍凱，劉新波

（河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司，河南長垣 453400）

0 引言

軌道式集裝箱門式起重機(jī)（RMG）具有節(jié)約成本、環(huán)保高效、轉(zhuǎn)運(yùn)方便、免維護(hù)程度高等優(yōu)勢正逐漸替代輪胎式集裝箱門式起重機(jī)（RTG），RMG因其高效化的特點(diǎn)，使用比較頻繁，通常在滿載和額定速度下連續(xù)工作，并且能適應(yīng)工作環(huán)境強(qiáng)化的集裝箱裝卸，隨著RMG的自動化、智能化、系列化、無人化的港機(jī)發(fā)展方向，這些都對起重機(jī)的結(jié)構(gòu)布置有了更高的要求，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮其具有足夠的強(qiáng)度、合適的剛度和抗風(fēng)震、防傾覆的穩(wěn)定性。馬世輝等[1]對RMG門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及有限元分析，得出鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性對起重機(jī)的工作性能起決定性作用的結(jié)論。丁敏等[2]通過有限元分析軟件對起重機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理性對起重機(jī)的安全、效率有著積極意義。

1 門架模型的建立

以某內(nèi)河港區(qū)堆場用軌道式集裝箱門式起重機(jī)為例，起重機(jī)的設(shè)計(jì)和制造滿足港口連續(xù)循環(huán)裝卸滿載集裝箱的要求，并保證天工駕駛員嚴(yán)格按照操作流程并及時保養(yǎng)維護(hù)的情況下，起重機(jī)每日連續(xù)作業(yè)時間為20 h，有效工作天數(shù)為330 d，使用壽命不小于30 a，可供裝卸ISO標(biāo)準(zhǔn)的20、40 ft集裝箱，軌道面以上滿足堆三過四的高度要求，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 軌道集裝箱門式起重機(jī)基本參數(shù)

起重機(jī)主要金屬結(jié)構(gòu)為雙箱型結(jié)構(gòu)，主梁采用偏軌雙梁箱型結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能消除軌道不平整對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，并防止結(jié)構(gòu)振動。結(jié)構(gòu)采用Q355B鋼材焊接而成，不能焊接的部位優(yōu)先采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，主梁和支腿及支腿和下橫梁之間用高強(qiáng)度螺栓連接，高強(qiáng)度螺栓應(yīng)當(dāng)按規(guī)定力矩使用扭力扳手緊固螺母，結(jié)合面應(yīng)接觸均勻，對接縫處出現(xiàn)的間隙應(yīng)用耐老化的填料填充，以防滲水，各法蘭處的角焊縫均按要求采用雙面連續(xù)焊。門架一側(cè)采用剛性支腿，另一側(cè)采用柔性支腿，通過柔性支腿可以允許整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)有一定偏斜量，避免發(fā)生啃軌，如圖1所示。

從圖1中可以看出，此起重機(jī)有以下特點(diǎn)：

1）起重機(jī)跨度為30 m,兩端懸臂總長為28.5 m，為了運(yùn)輸和安裝方便，需要對主梁解體制作；

2）40 ft集裝箱長度為12.2 m，為順利轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱，主結(jié)構(gòu)采用U形支腿，受力狀態(tài)好，門腿內(nèi)的寬度方向凈空間為15 m；

3）懸臂一端為18.5m，另一端為10 m，主結(jié)構(gòu)增加馬鞍架和斜拉桿改善主梁的水平剛度和垂直高度；

4）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)配有防風(fēng)鐵楔、液壓夾軌器等防風(fēng)裝置，保證起重機(jī)在工作狀態(tài)的最大風(fēng)速20 m/s下起重機(jī)不發(fā)生滑移，起重機(jī)還設(shè)置有錨定裝置和防風(fēng)系纜裝置，大車移動到錨定裝置后將錨定插板放下能滿足非工作狀態(tài)下最大風(fēng)速45 m/s的強(qiáng)風(fēng)作用下起重機(jī)不滑移、不傾覆。

2 門架的加載分析

根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)在起升或者制動這種不穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)下，要考慮起升機(jī)構(gòu)的動載和沖擊系數(shù)及小車和整機(jī)制動產(chǎn)生的慣性載荷。

2.1 載荷系數(shù)

由滿載起升速度Vh=30 m/min=0.5 m/s，得：

1）起升沖擊系數(shù)φ1=1+α=1+0.05=1.05；

2）按軌道集裝箱機(jī)械的動力特性，起升狀態(tài)級別按HC3級別，取β2=0.6，工作載荷引起的動載系數(shù)φ2=φ2min+β2·Vh=1.2+0.6×0.5=1.5；

3）考慮機(jī)構(gòu)啟動或制動時力突然變化結(jié)構(gòu)的增大系數(shù)φ5=1.2。

2.2 整機(jī)自重載荷

整機(jī)結(jié)構(gòu)自重PG=180 t，包含大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)及附屬件的質(zhì)量。吊具下額定載荷PQ=40.5 t，小車自重Gxc=25 t，下旋轉(zhuǎn)吊具自重Gd=12 t，得到起升基本載荷PQ+Gxc+Gd=40.5+25+12=77.5 t，試驗(yàn)載荷PS=1.25PQ=1.25×40.5=50.625 t。

2.3 水平慣性載荷

小車吊運(yùn)集裝箱在水平面內(nèi)進(jìn)行橫向或者縱向移動時，由整機(jī)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的水平方向的慣性力PH=φ5ma，其中：m為運(yùn)行部分的質(zhì)量；φ5為系數(shù)，考慮起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)制動力突然變化時的動力系數(shù)，1≤φ5≤2，平均取φ5=1.5；a為起升或制動時小車運(yùn)行或大車運(yùn)行的加速度。由V小車=30 m/min=0.5 m/s，V大車=40 m/min=0.67 m/s，由起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊表1-3-7[4]得：a小車=0.15 m/s2；a大車=0.2 m/s2。

得到軌道式集裝箱起重機(jī)慣性力計(jì)算表，如表2所示。

表2 慣性力計(jì)算表 N

2.4 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷一般為起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)下的最大風(fēng)力和非作業(yè)狀況下極限天氣的最大風(fēng)載荷，在計(jì)算風(fēng)載荷時，應(yīng)按照當(dāng)?shù)丨h(huán)境最不利條件對起重機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算公式為

式中：C為風(fēng)力系數(shù)，由結(jié)構(gòu)件的長細(xì)比查表1-3-11，取C=1.9；Kh為風(fēng)力高度變化系數(shù)，考慮軌道式集裝箱門機(jī)的整機(jī)高度，按結(jié)構(gòu)頂部取Kh=1.2；q為計(jì)算風(fēng)壓，N/m2，工作狀態(tài)風(fēng)壓q工作=0.625V2=0.625×202=250 N/m2，極限天氣風(fēng)壓q非工作=0.625V2=0.625×402=1000 N/m2；A為總迎風(fēng)面積，m2；主梁、支腿及馬鞍等主要結(jié)構(gòu)件按最大迎風(fēng)面積產(chǎn)生的風(fēng)載荷，小車、吊具及吊重引起的風(fēng)載荷垂直于大車軌道方向作用于相應(yīng)結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處。主梁、支腿、馬鞍等主要迎風(fēng)結(jié)構(gòu)件為箱型結(jié)構(gòu)，經(jīng)過計(jì)算沿大車運(yùn)行方向迎風(fēng)面積為210 m2，沿小車運(yùn)行方向的迎風(fēng)面積為120 m2。代入上式，得到P工作=119700 N，P非工作=273600 N。

3 工況分析

軌道式集裝箱起重機(jī)在連續(xù)作業(yè)時會有很多工況，考慮起重機(jī)的工作環(huán)境風(fēng)載荷、工作狀況滿載及空載、小車位置跨中及極限的不同，得到的結(jié)果自然不一樣，我們主要取起重機(jī)的極限狀態(tài)進(jìn)行分析即可。各工況描述如表3所示。

表3 各工況描述

4 有限元分析結(jié)果

軌道式集裝箱起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)件包括2件主梁、2件剛性支腿、2件柔性支腿、2件馬鞍、2件拉桿、2件下橫梁、2件端梁及走臺欄桿、梯子平臺等附屬結(jié)構(gòu)件，考慮到計(jì)算時間的長短，整機(jī)對網(wǎng)格的精度要求不高，在保證誤差不大的前提下，盡可能減少單元數(shù)，確定模型坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 有限元模型

圖3 滿載小車位于跨中靜剛度

圖4 滿載小車位于左極限靜剛度

圖5 滿載小車位于右極限靜剛度

4.1 材料特性

針對結(jié)構(gòu)件材料的拉伸、壓縮和彎曲許用應(yīng)力，按不同的載荷組合規(guī)定相應(yīng)的安全系數(shù)和基本許用應(yīng)力[5]，如表4所示。

表4 材料許用應(yīng)力

其中，[σⅡ]、nⅡ?yàn)橛酗L(fēng)工作工況下的許用應(yīng)力和安全系數(shù)；[σⅢ]、nⅢ為非工作工況下的許用應(yīng)力和安全系數(shù)[6]。材料的其它力學(xué)特性：材料密度ρ＝7.85×10－6kg/mm3；彈性模量E=2.06×105MPa；泊松比ν=0.3；剪切模量G=81000 N/mm2。

4.2 計(jì)算結(jié)果

在工作載荷下，工況一、工況二、工況三整機(jī)模型按簡支梁約束，在極限風(fēng)速下，工況四、工況五整機(jī)處于錨定狀態(tài)，4個支腿全部約束。

對于軌道式門式起重機(jī)，跨度L＝30000 mm，有效懸臂L1＝15000 mm，L2＝5000 mm，根據(jù)靜剛度計(jì)算工況，計(jì)算中不考慮結(jié)構(gòu)自重、動載系數(shù)和放大系數(shù)，剛度、強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表5、表6所示。

表5 靜剛度計(jì)算結(jié)果

表6 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表5中靜剛度均滿足要求，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

表6中所有工況強(qiáng)度均滿足許用應(yīng)力要求，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，且風(fēng)力作用對鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大。 結(jié)果云圖如圖6圖～10所示。

圖6 滿載小車跨中整機(jī)應(yīng)力圖

圖7 滿載小車左極限整機(jī)應(yīng)力圖

圖8 滿載小車右極限整機(jī)應(yīng)力圖

圖9 空載小車順大車方向整機(jī)應(yīng)力圖

圖10 空載小車順小車方向整機(jī)應(yīng)力圖

5 結(jié)論

AYSYS用于起重機(jī)的力學(xué)分析，驗(yàn)證其剛度、強(qiáng)度是否滿足要求，大大降低了計(jì)算工作量，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為實(shí)際的工程應(yīng)用提供了理論支持。本文從不同的載荷分布情況進(jìn)行分析，得到不同工況作業(yè)時的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，并計(jì)算出最大應(yīng)力和最大變形量，計(jì)算整體結(jié)構(gòu)和其部件的應(yīng)力和應(yīng)變是否在材料的許用范圍內(nèi)，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)是否合理，是否滿足強(qiáng)度與剛度的要求，并針對其不足問題進(jìn)行修改。從分析結(jié)果不難看出，應(yīng)力集中大都分布在主梁與支腿連接處，符合實(shí)際使用效果，在后期設(shè)計(jì)和制造過程中可以通過增加支腿腹板的厚度、主梁筋板的寬度來增加其整體強(qiáng)度。