集裝箱正面吊大臂優化設計

文/李旭東 陸進 張偉剛 錢一呈

隨著國民經濟持續發展，集裝箱正面吊的作用越來越大，從近年來交通運輸部公布的數據分析，10年來我國規模以上港口的集裝箱吞吐總量以年均 12.7%的速度增長。集裝箱正面吊的發展，給集裝箱正面吊制造業提供了巨大的市場需求，對集裝箱正面吊的性能也提出更高要求。而集裝箱正面吊大臂的力學特性決定了該設備的適用范圍和作業效率，因此優化正面吊大臂舉升系統成為各生產企業關注的課題。

一、正面吊臂架結構

集裝箱正面吊的大臂舉升系統主要由伸縮臂、基本臂及伸縮油缸等組成，如圖1。由于差動的需要，舉升油缸都采用了活塞缸形式，伸縮油缸的液壓油在活塞桿中部通過，克服了使用軟管維修困難的缺陷。伸縮油缸的缸筒與伸縮臂通過螺栓固定在一起，活塞桿通過銷軸與基本臂鉸接在一起，可以吸收一部分沖擊。由于基本臂的一端固定在車架上，伸縮油缸的伸縮就可以轉化為大臂的伸縮。

二、正面吊臂架的有限元分析

集裝箱正面吊是港口對集裝箱進行裝卸、堆碼和水平運輸的必備裝卸搬運機械

圖1：集裝箱正面吊伸縮臂

圖2：工況1應力云圖

圖3：工況2應力云圖

圖4：工況3應力云圖

圖5：工況4應力云圖

表1：各工況最大應力值

目前對于集裝箱正面吊吊臂的研究，大多只集中于有限元計算和臂架機構的簡化計算，很少將二者有機結合。有限元計算往往只是計算靜態的載荷，或是在載荷中加入動載系數進行計算，并不能反映出吊臂在工作過程中可能出現的最大載荷或惡劣載荷。考慮到性價比的因素，正面吊大臂主要結構的材料采用Q460鋼板，它具有良好的抗疲勞性能和焊接性能。材料的屈服強度為：σs=400～460MPa，復合應力為：σ復=331MPa。大噸位起重機的吊臂通常采用大圓角矩形或矩形加半圓的截面，以充分發揮材料的承載性能，減重的同時增加安全系數。

正面吊大臂的有限元模擬主要以板殼單元進行計算，油缸簡化為桿單元，滑塊簡化為體單元。模型建立后，使用前處理模塊對其進行網格劃分，網格劃分的原則是規則圖形采用映射網格，不規則圖形采用自由網格。仿真參數的設置為：彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85g/cm3。根據正面吊的載荷分布工況，分別對正面吊在四種工況下進行受力分析（如圖2、3、4、5。），各工況最大應力值如表1。以最危險的工況為基準校核結構的穩定性。

從靜力學的分析可以得出，大臂的結構設計基本滿足工況的使用，按照有限元模擬基本臂，較大應力在上翼板與滑塊接觸區域附近及俯仰油缸固定段下翼板處（工況2、工況4）。進行大臂優化設計，對該兩處位置基本臂下翼板厚度增加到20mm進行補強，滿足其在最惡劣條件下使用的安全性。

三、小結

集裝箱正面吊大臂是起重機的工作裝置，直接影響起重性能。本文在對四種工況下集裝箱正面吊大臂舉升機構的有限元模擬的基礎上，進行人工經驗優化，對應力較大的部位進行加厚板材處理，對應力較小區域進行適當減小厚度以減小大臂的自重，使得RS-45型正面吊在相同的起重量情況下，能以優化最小的吊臂自重，獲得最優的性能。