岸邊集裝箱起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)

1、岸邊集裝箱起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)摘 要：岸橋作為港口搬運(yùn)集裝箱的關(guān)鍵設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)岸橋輕量化設(shè)計(jì)是保證其節(jié) 能減排的關(guān)鍵途徑。以某港口岸橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在搭建其有限元分析模型基礎(chǔ)上， 對(duì)關(guān)鍵部件尺寸厚度進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化岸橋強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)頻率、疲勞壽 命進(jìn)行校核，最后可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的岸橋不僅實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，且性能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。關(guān)鍵詞：集裝箱 起重機(jī) 輕量化港口起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)不僅可以降低起重機(jī)對(duì)碼頭的承載要求，減少碼頭基建和起重機(jī)制造成本，而且能夠減少起重機(jī)在正常工作中的能源消耗，進(jìn)而降低污染物排放，最終達(dá)到節(jié)能減排的目的。本文以港口起重機(jī)具中的岸邊集裝箱起 重機(jī)為研究對(duì)象，并基于ANSY

2、分析軟件對(duì)岸橋進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。1輕量化技術(shù)研究輕量化理論岸邊集裝箱起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的典型數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示。 Lg1(x,x,v) =0.L , ，一 ,g2(x,x,v)=0(1)min f (x, v)式中，x為狀態(tài)函數(shù)；g1和g2為約束方程；f (x, v)為目標(biāo)函數(shù)；v為目 標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)變量。輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化方程中，目標(biāo)函數(shù)是整機(jī)質(zhì)量；約束條件是 結(jié)構(gòu)最大變形量滿足許用值、最大應(yīng)力滿足許用值，第一階整體模態(tài)頻率不降低， 并且立柱和大梁受壓腹板滿足屈曲驗(yàn)證計(jì)算； 設(shè)計(jì)變量是各結(jié)構(gòu)組成件板厚及形 狀。1.2 輕量化優(yōu)化措施優(yōu)化起重機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)(1)優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)岸邊集裝箱起重機(jī)

3、鋼結(jié)構(gòu)重量約占整機(jī)重量的60%- 70%因此鋼結(jié)構(gòu)的輕量化就顯得尤為重要。鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)包括對(duì)鋼結(jié)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)、截面尺寸的優(yōu) 化；并基于相關(guān)分析軟件，以質(zhì)量最小為原則，對(duì)各個(gè)工況下的載荷進(jìn)行優(yōu)化計(jì) 算。通過(guò)計(jì)算得到起重機(jī)的最佳結(jié)構(gòu)， 在實(shí)現(xiàn)輕量化優(yōu)化的同時(shí)，保證起重機(jī)的 可靠性和穩(wěn)定性。例如機(jī)器房底架可采用一體化設(shè)計(jì)，取消機(jī)房?jī)?nèi)的機(jī)構(gòu)底座； 大梁可采用單箱梁或者桁架式大梁來(lái)進(jìn)一步減輕岸橋鋼結(jié)構(gòu)重量。(2)工藝改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)焊機(jī)工藝改進(jìn)，可大量使用焊接機(jī)器人，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，降 低焊材使用量。另外，還可以采用環(huán)鍛滑輪代替精鑄滑輪， 在減少環(huán)境污染的同 時(shí)，減輕了重量；梯子平臺(tái)擋腳板采用厚度為2

4、.5mm的沖壓折彎板，在滿足強(qiáng)度 前提下，岸橋整機(jī)擋腳板大概能減重 11.5t。選用合適的輕質(zhì)材料選用合適的輕質(zhì)材料，取代傳統(tǒng)起重機(jī)中的質(zhì)量較大的結(jié)構(gòu)件。(1)選用高強(qiáng)鋼代替普通鋼目前岸橋鋼結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件通常采用 A709-50-2或者等強(qiáng)度的Q345低合 金鋼，次要受力構(gòu)件采用 Q235高強(qiáng)鋼相對(duì)應(yīng)普通鋼在強(qiáng)度相同情況下，其質(zhì) 量遠(yuǎn)小于普通鋼。例如，采用A709-70-2鋼代替常規(guī)的A709-50-2或者Q345鋼， 采用A709-50-2或者Q345鋼取代Q235普通鋼，不僅可以提高起重機(jī)強(qiáng)度，還能 使質(zhì)量降低20%-30%尤其在有抗震要求的起重機(jī)設(shè)計(jì)中，在不影響起重機(jī)具 他性能參數(shù)前提

5、下，使用A709-70-2高強(qiáng)度鋼可以顯著降低構(gòu)件重量。(2)合理采用復(fù)合材料采用MC尼龍滑輪，不僅能夠滿足實(shí)際工程要求，還能夠達(dá)到延壽、輕量化 目的。止匕外，起重機(jī)中電機(jī)、制動(dòng)器的外殼采用玻璃鋼等輕質(zhì)材料。改進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)俯仰機(jī)構(gòu)采用多層纏繞可以大幅減輕俯仰機(jī)構(gòu)的重量，折線卷筒的使用還可 以更有效地避免亂繩，減少鋼絲純磨損。隨著岸橋遠(yuǎn)程控制技術(shù)成熟，使得取消 小車上的司機(jī)室成為可能，取消司機(jī)室可以減少約4t的移動(dòng)載荷，非常有益于鋼結(jié)構(gòu)減重。2岸橋有限元模型的建立為確保所搭建模型在計(jì)算仿真時(shí)運(yùn)算量較小，搭建岸橋有限元模型時(shí)需做出 如下假設(shè)；第一，起重機(jī)在正常工作時(shí)，大梁處于水平狀態(tài)，且前后拉桿為二

6、力桿；第二，起重機(jī)的撐桿系統(tǒng)為管狀結(jié)構(gòu)；第三，機(jī)房簡(jiǎn)化為加質(zhì)量點(diǎn)和四根橫 梁；第四，將小車結(jié)構(gòu)的力直接作用于大梁上；第五，根據(jù)剛度等效原則，將大 車運(yùn)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為等效梁。3岸橋結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析施加岸橋結(jié)構(gòu)靜載荷為便于計(jì)算，將起重機(jī)的動(dòng)態(tài)問(wèn)題簡(jiǎn)化為對(duì)其靜態(tài)特性的分析。為確保輕量 化處理后的起重機(jī)仍能滿足極限工作情況，故將靜載荷施加于對(duì)其中最不利的位 置。主要施加的靜載荷包括岸橋自重、所承受的風(fēng)載荷、岸橋負(fù)載重量、其他零 部件自重以及小車制動(dòng)引起的作用力。岸橋載荷工況和變形觀察點(diǎn)研究考慮到小車載荷是影響岸橋變形和應(yīng)力變化的主要因素，根據(jù)大型結(jié)構(gòu) 優(yōu)化計(jì)算特點(diǎn)，本文采用近似算法對(duì)小車機(jī)構(gòu)變形和應(yīng)力

7、進(jìn)行分析。經(jīng)綜合 分析可知，8個(gè)工況位置的岸橋的變形和應(yīng)力能夠反映岸橋在整個(gè)工作后期內(nèi) 的變形和應(yīng)力情況如圖1所示。經(jīng)綜合考慮，選擇在大梁和門(mén)架結(jié)構(gòu)中 Pi P9為最大位移處。圖1載荷施加位置及變形觀測(cè)點(diǎn)示意圖4岸橋輕量化設(shè)計(jì)岸橋結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化岸橋金屬結(jié)構(gòu)主要由大梁、管和桿組成，由于大梁為起重機(jī)關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)， 一旦起重機(jī)零部件應(yīng)力超過(guò)其許用應(yīng)力，大梁與其他零部件之間連接尺寸及形式 就會(huì)發(fā)生變化。因此，此處優(yōu)化項(xiàng)僅對(duì)零部件厚度進(jìn)行優(yōu)化， 而不對(duì)結(jié)構(gòu)外形尺 寸進(jìn)行優(yōu)化。鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束條件強(qiáng)度約束條件是根據(jù)岸橋所選用鋼材型號(hào)為 Q34a安全系數(shù)為1.5,則該材 料的需用應(yīng)力大小為230Mpa剛度約束條

8、件是對(duì)于岸橋金屬結(jié)構(gòu)而言的， 剛度可以理解為結(jié)構(gòu)變形量，優(yōu) 化后起重機(jī)的剛度即為工作狀態(tài)下大梁的最大變形量， 且不超過(guò)標(biāo)書(shū)要求；金屬 結(jié)構(gòu)在第一階頻率下的模態(tài)頻率不降低。屈曲約束條件為優(yōu)化后的起重機(jī)結(jié)構(gòu)沒(méi)有局部屈曲的風(fēng)險(xiǎn)。疲勞約束條件為優(yōu)化后的起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命滿足標(biāo)書(shū)要求。強(qiáng)度和剛度驗(yàn)證對(duì)圖1所示的8個(gè)位置在不同工況下進(jìn)行有限元優(yōu)化計(jì)算，并從所得8組數(shù)據(jù)中選取一個(gè)最大確定為最終優(yōu)化尺寸。除此之外，減小那些質(zhì)量大但對(duì)強(qiáng)度和剛度影響較小的部件尺寸，適當(dāng)增加那些質(zhì)量小但對(duì)強(qiáng)度和剛度影響較大部件的 尺寸。優(yōu)化設(shè)計(jì)后整機(jī)及前后大梁最大應(yīng)力增大，但仍在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)；前大梁變形量增加2.5mm后大梁變

9、形量增加1.1mm滿足最大變形量300mn求； 整機(jī)的第一階模態(tài)頻率未發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)屈曲驗(yàn)證結(jié)構(gòu)腹板失穩(wěn)取決于腹板寬度和厚度比值，增加腹板厚度和焊接加強(qiáng)筋都可 以達(dá)到減小腹板寬厚比的目的；但增加板厚達(dá)不到輕量化設(shè)計(jì)的目的，也可能會(huì)產(chǎn)生其他方面的問(wèn)題，因此工程上通常采用增加加強(qiáng)筋的方法進(jìn)行處理。F.E.M.里面提供了屈曲驗(yàn)證的一種方法，即根據(jù)F.E.M.附錄A-3.4 ,臨界屈服應(yīng)力是歐拉應(yīng)力的某個(gè)倍數(shù)，歐拉應(yīng)力如式（2）所示12 1 - 2 b(2)式中，e為厚度；b為寬度，是板材在垂直于壓力方向上測(cè)得的尺寸；E為彈性模量；口為泊松比。對(duì)于普通鋼 E=210000N/mh 口 =0.3,歐拉應(yīng)

10、力公式可進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如式（3）所示二R =189800 - b(3)臨界屈曲應(yīng)力和歐拉應(yīng)力成倍數(shù)關(guān)系，在單純受壓情況下，臨界應(yīng)力如式（4） 所示?！癏R（4）在單純受剪切的情況下，臨界應(yīng)力如式（5）所示zVcr=KT aE（5）式中，系數(shù)K。和K為屈曲系數(shù)，取決于板兩邊尺寸比值、板邊支撐情況、板在其本身平面內(nèi)所受載荷類型以及板加強(qiáng)筋加強(qiáng)的情況。K和（具體數(shù)值可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表求出。根據(jù)F.E.M.計(jì)算方法，輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于臨界屈曲 應(yīng)力，沒(méi)有屈曲危險(xiǎn)。5疲勞壽命的驗(yàn)證5.1 疲勞定義及計(jì)算方法所謂疲勞損壞是指在交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生裂紋等疲勞破壞。疲勞強(qiáng)度 計(jì)算方法主要有應(yīng)力

11、比法和應(yīng)力幅法兩種。 應(yīng)力比法是用結(jié)構(gòu)計(jì)算的最大應(yīng)力比 最小應(yīng)力，即R=（T ma，（Tmin；然后最大應(yīng)力在疲勞許用應(yīng)力范圍內(nèi)， 即（T max （T r , 目前FEMff口 DIN15018使用的都是應(yīng)力比法。應(yīng)力幅法的計(jì)算方法是單元上的應(yīng)力幅值小于許用應(yīng)力幅值，即（7 max- （706，且三（ni/Ni） 1,其中，ni是根據(jù)單元的應(yīng)力幅值計(jì)算出的循環(huán)次數(shù)； N是根據(jù)S-N曲線得到的循環(huán)次數(shù)，BS5400 JIS和ASMEJOG勻使用應(yīng)力幅法。 5.2 疲勞壽命的計(jì)算結(jié)果本文利用MSC.fatigue軟件對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)疲勞分析，根據(jù)岸橋工作狀態(tài)下 的循環(huán)，忽略風(fēng)載荷及大車慣性力與定義載荷譜； 然后再根據(jù)載荷譜計(jì)算出應(yīng)力 譜，對(duì)每一個(gè)單元進(jìn)行分析，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)疲勞壽命滿足標(biāo)書(shū)要求。6結(jié)語(yǔ)岸邊集裝箱起重機(jī)作為港口搬運(yùn)集裝箱的關(guān)鍵設(shè)備， 其能耗備受關(guān)注；而要 想實(shí)現(xiàn)岸橋節(jié)能減排，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)岸橋設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)。本文基于ANSYS寸某 型號(hào)岸橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)了岸橋輕量化設(shè)計(jì)；且優(yōu)化后的岸橋結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度和剛度均滿足實(shí)際工作需求，且結(jié)構(gòu)最小疲勞壽命也滿足實(shí)際工