基于ANSYS的20英尺船用集裝箱轉運裝置的分析與設計

楊曉一，郭光輝，鄭 俊

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.上海海迅機電工程有限公司，上海 201111）

0 引言

隨著改革開放的不斷深化和經濟的快速發展，我國船舶工業得到了快速的發展，但在船用集裝箱短途運輸領域，船用機械裝備和技術的發展有限。船用和港口集裝箱裝卸技術水平不夠先進，絕大多數集裝箱運輸車輛本身不具備自裝卸能力，需要依靠其他機械或人工輔助裝卸，這降低了集裝箱的轉運效率，還在轉運和裝卸過程中產生大額的裝卸費用。近年來，我國也大力發展了船用集裝箱運輸輔助行業，研制了大型叉車、正面吊、起重機等機械裝備，但復雜的船用運輸環境制約了這些大型裝卸設備的使用。針對這個問題，本文設計了一種船用集裝箱自裝卸裝置，其具有裝卸效率高、運營成本低、安全、可靠、應用范圍廣等特點，對我國現階段船用機械裝備業的快速發展有一定的促進作用。

1 集裝箱轉運裝置主要技術參數

20英尺船用集裝箱轉運裝置總體性能參數如下：額定搬運質量為 20 000 kg；整備質量為10 000 kg；后軸距為4 030 mm；左右轉盤距為1 400 mm；左右輪距為1 000 mm；整車長度為7 025 mm；整車寬度為2 800 mm；整車高度（不裝載集裝箱時）為1 100 mm；整車高度（裝載集裝箱時）為3 550 mm；最小離地間隙為320 mm。

2 集裝箱轉運裝置的功能特性

2.1 功能特征

該轉運裝置應能實現 20英尺集裝箱、方艙等物資在各類船舶甲板以及碼頭的水平轉運，并能借助20 t防爆貨物升降機等實現20英尺集裝箱、方艙等的垂直轉運。

該裝置的基本功能如下：

1）轉運能力：可轉運額定質量≤20 t的 20英尺集裝箱1只。

2）在九級海況下安全系固。

3）在平靜海況下（橫傾不大于 5°，縱傾不大于2°）能夠正常操作使用。

4）擁有2種行走方式：（1）自行走，在轉運裝置滿載的情況下，能借助牽引力不大于 100 kN的外部牽引載荷順利爬坡；（2）絞車牽引，在轉運裝置滿載的情況下，能在牽引力不大于15 kN的外部絞車牽引下順利行走于各甲板面。

5）剎車：自行時，實時控制車速；牽引時，與叉車同步。

6）駐車：停車時駐車，與行走機構聯鎖；車輛爬坡或下坡過程中若失去動力，能防止車輛滑下斜坡。

7）裝卸：借助自身裝置，機構實現集裝箱裝卸時的提升、下放、找準對中和微調等。

8）操作：通過遙控盒控制轉運裝置進行自行走、剎車和轉向，遙控盒有急停按鈕，在緊急情況下可執行剎車鎖死；車兩側配急停按鈕。

9）信號：遙控盒顯示屏可顯示故障報警（如加熱器故障等）和運行狀態（如油位、電源、速度、壓力、角度等）等；面板可顯示當前運行狀態，包含當前處于前進還是倒車，自行走還是無動力牽引，并可以顯示速度、輪胎轉角等狀態信息；裝置具有綜合聲光報警功能，并能消音；轉運車車體有轉向燈、倒車燈等警示燈。

10）聯鎖：駐車和運行聯鎖；運行和裝卸聯鎖；自行走和叉車牽引聯鎖；遙控盒有防止誤操作功能。

11）轉向能力：裝置自行走時，能夠實現同軸車輪同步轉向；裝置具有全驅能力，各輪組有獨立驅動能力；各輪胎能獨立轉向，裝置能橫向平移、原地回轉、前進后退等。

12）通行能力：裝置能順利通過舷側門、跳板和塢艙斜坡。

2.2 技術特性

20英尺船用集裝箱轉運裝置應具有體積小、重量輕、操控靈便等特點，并能夠轉運最大質量不超過20 t的20英尺集裝箱、方艙等包裝物資。在平靜海況下，使用該裝置可在碼頭和船、船內部間轉運集裝箱。

該裝置的技術特性如下：

1）防爆要求：距甲板以上0.5 m范圍內1類防爆；除距甲板以上0.5 m范圍以外區域2類防爆。

2）20 t滿載時，裝置在各路面上的自行走額定速度為3 km/h，最大速度為4 km/h。

3）絞車牽引轉向時，轉彎半徑約15 m。

4）通行能力：輪壓最大軸載荷≤14 t；輪壓≤1 000 kPa。

5）越障能力≥0.1 m。

6）越溝能力≥0.1 m。

7）同軸車輪同步轉向角度≥90°。

8）單次持續工作時間不小于4 h。

9）爬坡：20 t載重時，使用不大于100 kN牽引力的絞車協助爬坡時，可爬上坡度不大于18°的斜坡；自行走時，可爬上坡度不大于5°的斜坡。

10）噪聲：額定工況下，整車空氣噪聲≤90dB(A)。

3 集裝箱轉運裝置的結構原理

本集裝箱轉運裝置分為上車和下車2部分。下車部分為轉運車底盤，采用平板車形式，共采用4組獨立的轉向驅動單元，前后各有2組獨立轉向驅動單元分別置于盤式轉向架上，可以滿足牽引轉向的需要。下車中間部分為發動機動力總成及液壓系統。上車部分為集裝箱自裝卸裝置，利用自身機構即可完成裝卸。上車自裝卸裝置可與下車分離，下車單獨作業。整車采用遙控操作方式，可實現各種操作功能，裝置采用整車防爆措施。轉運裝置組成部分見圖1，總體布置圖見圖2。

圖1 集裝箱轉運裝置組成

圖2 集裝箱轉運裝置總體布置圖

3.1 自裝卸裝置

集裝箱自裝卸裝置可以與底盤分離，此時車輛只有運輸功能。該裝置采用U型框架結構，具有橫向驅動、縱向張合、整體支撐、掛點鎖定和整體提升的功能，其結構如圖3所示。

圖3 自裝卸裝置結構圖

1）橫向驅動。自裝卸裝置采用2個輪邊液壓馬達驅動滾輪在底盤橫軌上移動，此時將兩端支腿滾輪放置于地面，支撐自裝卸裝置整體橫移出車輛底盤。

2）縱向張合。自裝卸裝置采用油缸驅動的方式縱向張開和收縮兩端橫臂，以適應集裝箱寬度。

3）整體支撐。采用4個油缸整體支撐自裝卸裝置。

4）掛點鎖定。提升架與集裝箱底部掛點聯接，可以實現掛點掛入和旋轉鎖定的功能。

5）整體提升。4個多級缸同步升降，可將集裝箱提升至高于轉運車底盤的高度。

3.2 轉運車底盤

轉運車底盤中部布置動力系統和液壓系統，車架前后分別通過回轉支撐與牽引轉向裝置連接，牽引轉向裝置下部左右分別聯接4組獨立回轉驅動單元。自行走時，牽引轉向裝置鎖定，轉向驅動單元工作，實現行走和上下坡；絞車牽引時，牽引轉向裝置工作，實現轉向。

3.2.1 行走驅動系統

行走驅動系統主要由變量液壓泵、液壓馬達、油箱、過濾器、傳動裝置、冷卻器和聯接管道構成。液壓泵和液壓馬達的殼體上附有補油泵、補油閥、安全閥和變量控制裝置等元件，從而構成完整的液壓系統。液壓泵和液壓馬達都是精密的部件，為保證其正常運轉，維持工作油液的清潔度是至關重要的。為此，車輛的液壓系統中安裝了2個過濾器。可清洗的吸油粗濾器裝于液壓油箱內，它可以阻止大尺寸污物進入液壓泵吸油管路。在變量泵的補油油路中，安裝了精度為10 μm的一次性濾油器，該濾油器安裝在變量泵上。為了維持液壓系統的正常油溫，系統裝有帶溫控器的液壓油冷卻器，可將液壓系統油溫有效控制在正常溫度范圍內。該行走驅動系統可實現一系列功能，主要包括 1）無級調節傳動系統的總傳動比，連續改變車輛的速度和牽引力；2）變換行駛方向；3）發動機功率與車輛速度和牽引力之間的合理匹配；4）保護發動機和傳動系統不過載。

3.2.2 轉向系統

轉運車有自行走和牽引2種行駛模式。自行走模式下，采用4組獨立的轉向驅動單元組合完成多種轉向動作，如前輪轉向、斜行轉向、向心轉向等。轉向系統由轉向泵、單穩分流閥（含安全閥）、轉向馬達等組成。使4組獨立轉向單元回轉至中位，選擇轉向模式，由控制程序根據轉向幾何模型控制4組轉向單元各自的轉向角度和轉向方向。將4組獨立轉向單元鎖定，驅動處于滑行狀態時，可以采用前后盤式轉向架實現牽引過程中的整體轉向。

3.2.3 懸掛系統

懸掛系統可通過升降調整底盤高度，確保輪胎與地面充分接觸，保持集裝箱運輸的平穩性。

3.2.4 制動系統

轉運車設有2套獨立的制動系統。

1）動力制動系統。由于采用可逆向傳遞動力的液壓驅動系統，當變量泵的輸出流量少于與實時車速對應的馬達所需流量時，馬達和泵的功能換位，液壓系統將吸收機組動能，通過發動機的動力制動作用使車輛減速；當變量泵的排量為零時，車輛完全制動。閉式油路上的安全閥可防止系統壓力過高而損壞液壓元件。駕駛員可連續控制車輛從起步加速至某一速度和從某一速度減速至停車的全過程，不僅操作方便，而且不發生零部件的附加磨損。

2）駐車制動系統。馬達上裝有駐車制動器，由主泵控制油路供油，并由換向閥控制該制動器，接通壓力油時解除制動，失壓時實現制動。當發動機熄火或行駛液壓驅動系統發生故障時，該制動器將自動處于制動狀態，從而確保機組坡停不溜車。

3.2.5 應急保障系統

當發動機熄火或行駛液壓驅動系統發生故障，制動器處于制動狀態時，如果需要移動車輛，必需要解除駐車制動。本車設有手動液壓泵、應急解脫閥和截止閥，在液壓系統失效時提供解脫駐車制動器的液壓動力。

3.2.6 液壓系統

行走、轉向的液壓驅動由液壓變速傳動裝置完成。本車底盤的傳動系統中，車輛速度由發動機轉速和液壓傳動裝置的傳動比（液壓馬達的排量與液壓泵的排量之比）綜合調節。在發動機不工作或怠速運轉時，液壓泵的斜盤傾角為零，沒有油量輸出，車輛停止。當駕駛員加大油門，使發動機轉速上升并達到1 100 r/min～1 200 r/min（起調轉速）后，變量泵上的補油泵輸出控制油，在控制閥內的節流口兩側建立了足以使斜盤偏轉的壓力差，液壓馬達開始旋轉，車輛隨之起步行駛。發動機轉速超過起調轉速后，轉速的繼續升高將通過控制裝置使變量泵排量增加。發動機轉速增高、液壓泵排量增大和液壓馬達數量減少，這3方面的變化促使車速提高。而當牽引載荷增加到一定程度后，液壓反饋系統又能使變量泵排量自動減小，從而降低車速，使發動機不致因超載而熄火。

本轉運車的液壓驅動系統采用調速柔和、動力制動性良好的閉式油路，故需選用具有雙向調節能力和帶補油泵的通軸式變量泵，以兼備調速、制動和換向的功能。

該集裝箱轉運裝置轉運車部分的液壓原理見圖4，自裝卸部分的液壓原理見圖5。

3.3 電氣控制系統

圖4 集裝箱轉運裝置轉運車部分液壓原理圖

圖5 集裝箱轉運裝置自裝卸部分液壓原理圖

該集裝箱轉運裝置的控制系統由電源、微電控制系統、電氣操作機構、安全裝置等組成。控制系統主要采用 CAN總線分散控制，簡化了線束，提高了整車電氣線路的可靠性、安全性和可維修性，具有數據共享和配置靈活的特點。CAN總線為車內各種電子設備、控制器、測量儀器等提供了統一的數據交換渠道。控制系統采用工程機械專用控制器，具有可靠性高、控制方便、編程簡單等特點。控制系統主要控制液壓泵、液壓馬達和液壓閥等執行機構，并可采集壓力、位置、速度等信號。電氣控制系統具有以下功能：1）控制功能，即對發動機、泵、馬達、控制閥和整機進行復合控制；2）檢測和保護功能，即通過一系列傳感器和開關對發動機和液壓系統工作狀態進行檢測和保護；3）其他功能，包括報警、指示燈控制、發動機啟停保護等。圖6為該集裝箱轉運裝置的電氣控制系統網絡圖。

3.3.2 防爆系統

圖6 電氣控制系統網絡圖

該20英尺船用集裝箱轉運裝置可在存在易燃、易揮發氣體的船艙內工作，其工作環境屬于易燃易爆環境，故要求該轉運裝置具備相應的防爆等級。該轉運裝置的防爆等級為2級（GB 19854—2018《爆炸性環境用工業車輛防爆技術通則》），可在1區和2區使用；該裝置的電氣件防爆等級要求是ExdⅡBT4（GB 3836.2—2010《爆炸性氣體環境用電氣設備第二部分隔爆型“d”》），即采用隔爆（d）的防爆方式；易燃氣體組別II B（油氣環境）；該裝置溫度組別為T4，表面溫度不超過135 ℃。本裝置采用經防爆改裝、尺寸較小的發動機，其防爆系統如圖7所示，可確保安全。

圖7 柴油發動機防爆系統

4 集裝箱轉運裝置主要部件的設計與分析

集裝箱轉運裝置的底盤車架和牽引轉向裝置是主要承力構件，其設計是整車設計成功與否的關鍵。

4.1 主要部件的結構設計

4.1.1 車架結構設計

車架是整個裝置的支承部分，它承受整車的自重及各工況條件下負載的質量，同時，車架將車上載荷傳遞到前后牽引轉向裝置，使集裝箱轉運車穩定地支承在地面上工作。車架的損壞以局部結構的疲勞破壞為主。因此，車架應具有足夠的強度與剛度，且機構配置應合理，使車架具有良好的力學性能[1]。

該集裝箱轉運車車架采用整體布置方式，在進行車架結構設計的過程中首先考慮以下因素：1）保證轉運車額定承載時，車架具有足夠的抗彎、抗扭能力，工作過程中，各結構件不會發生疲勞破壞；2）保證轉運車在額定承載時，整車的縱向結構可以在自重作用下穩定支撐，防止傾翻；3）保證空載時整車重心位于縱向幾何中心面內，使整車橫向質量分布協調，左右不出現較大的偏載。

轉運車車架采用鋼板和型材焊接的形式，主體為抗彎、抗扭箱形梁結構，左右結構對稱。邊梁采用前后貫通的矩形管和整塊厚鋼板焊接的結構，前后支撐也采用矩形管和厚鋼板結合的結構，具有較優的力學性能。

4.1.2 牽引轉向裝置結構設計

牽引轉向裝置上部通過回轉支撐與車架聯接，下部通過2個回轉支撐與驅動單元聯接，受力情況復雜。其主體采用矩形管和鋼板焊接結構，具有較優的力學性能。

4.2 主要部件結構的有限元分析

4.2.1 車架結構強度分析

對車架結構的分析，不僅需要考慮所有的結構件和機構，而且需要考慮作業過程中的不同載荷工況。車架作為整車的主承力骨架，承受著各子結構的靜力和動力載荷，同時也承受著來自前后驅動輪、發動機、液壓系統和轉向裝置的作用力。要對其進行靜強度分析，首要條件是找出車架的外部載荷條件，即找出與車架相連著的、對車架受力和變形有較大影響的各總成在整車靜止狀態下作用在車架上的力、力矩（包括其大小和方向）。通過對各總成進行受力分析，即可達到上述目的。對于車架來說，轉運車承受集裝箱額定載荷20 000 kg時，受力情況最為惡劣。按照工況條件設定配置方式，分析步驟如下。

1）設定模型的材料屬性。車架選用Q345低合金結構鋼，在SolidWorks中建立三維模型，然后導入 ANSYS-Workbench中，按照所用材料的參數新建一個材料，命名為Q345。設定材料的彈性模量為 206 GPa，泊松比為 0.3，材料密度為7.85×10-6kg/mm3。

2）設定約束和載荷條件。轉運車在靜止情況下，車架保持水平。選擇車架上表面為受力基準面，便于施加載荷時確定載荷方向。在轉運車工作過程中，通過前后回轉支撐、牽引轉向裝置和4個獨立的回轉驅動裝置將車架穩定地支撐在地面上。由于分析對象不包含牽引轉向裝置和4個獨立的回轉驅動裝置，因此可以在前后回轉支撐與車架的作用面上施加固定約束，限制其3個平移自由度和3個轉動自由度。通過這種方式可以近似模擬前后回轉支撐對車架的作用。在底盤上表面加載20 000 kg負載，等效為在車架上表面施加18 405 Pa的均布載荷。

3）網格劃分

對模型施加約束和載荷后，開始正式劃分網格。由于車架模型結構非常復雜，因此采用實體單元網格類型[2]，車架網格劃分結果如圖8所示。

圖8 車架網格劃分

4）分析結果

圖8所示情況是假設車架兩側上表面受力、中部表面不受力的極端情況。從圖9所示車架的結構應力云圖上可以看出，在該工況條件下，車架最大應力小于 318.1 MPa。而實際情況中車架整個上表面均可分載載荷，受力狀況會改善很多。此外，最大應力小于車架材料的極限屈服應力，在實際結構中，焊縫材料會進一步加強該部分結構，且裝配的其他零部件均能起到過約束的作用，可大大改善車架的承載能力，因此車架的實際應力會遠小于該值[3]。從圖10所示車架的結構最大變形云圖上可以看出，車架整體變形較小，說明車架結構具有較好的剛性[4]。故此種車架結構滿足設計技術要求。

圖9 車架結構應力云圖

圖10 車架結構變形云圖

4.2.2 牽引轉向裝置結構強度分析

底盤的前后牽引轉向裝置下回轉架承載車架上裝負載，并通過4個獨立的回轉驅動單元支撐在地面上。對于牽引轉向裝置來說，轉運車承受集裝箱額定載荷20 000 kg時，下回轉架受力情況最為惡劣。按照工況條件設定配置方式，分析步驟如下。

1）設定模型的材料屬性

牽引轉向裝置模型的材料屬性與車架模型的材料屬性相同。

2）設定約束和載荷條件

轉運車在靜止情況下，車架保持水平。由于分析對象不包含前后回轉支撐和2個獨立的回轉驅動裝置，因此可以在2個獨立回轉驅動裝置的作用面上施加固定約束，限制其3個平移自由度和3個轉動自由度。通過這種方式可近似模擬2個獨立回轉驅動裝置對牽引轉向裝置下回轉架的作用[5]。考慮到轉運車上坡等極端工況下，2個下回轉架中僅有1個獨立承載載荷，在牽引轉向裝置下回轉架上回轉支撐面上加載20 000 kg負載，等效為18 405 Pa的均布載荷。

3）網格劃分

對三維模型施加約束和載荷后，就開始正式劃分網格。由于牽引轉向裝置模型結構復雜，因此采用實體單元網格類型，牽引轉向裝置網格劃分結果如圖11所示。

圖11 下回轉架網格劃分

4）分析結果

從圖12可以看出，在該工況條件下，牽引轉向裝置下回轉架絕大部分區域應力小于1 MPa，最大應力遠小于下回轉架材料的極限屈服應力。在實際結構中，焊縫材料會進一步加強該部分結構，因此該部分的實際應力會小于該值。從圖13可以看出，下回轉架結構在此工況下整體變形位移量較小，有較好的剛度。故此結構滿足設計要求，且為整車進一步輕量化配置和結構優化留下了很大的空間[6]。

圖12 下回轉架結構等效應力云圖

圖13 下回轉架結構位移云圖

5 結論

通過有限元軟件對集裝箱轉運裝置關鍵部件進行計算和分析，優化了該集裝箱轉運裝置的結構形式，減小了其主要部件的結構尺寸，保證了足夠的安全系數，提高了其承載能力，增加了該裝置的應用靈活性和可靠性。該裝置的設計可為船用機械裝備的技術創新提供參考。