船用克令吊的失效模式分析

張 晨 嚴競博 鄒華敏

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

船用克令吊是安裝于船舶及浮式平臺上的一種輕型起重機，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用面積小及功能完善的特點，被廣泛應(yīng)用于船上的貨物吊裝和人員運輸。近年來，隨著海上風(fēng)電及石油鉆井行業(yè)快速發(fā)展，使用克令吊起吊運輸已經(jīng)成為船舶上下人員的一種主要方式[1]，因此克令吊安全性能的重要性不言而喻。各種起重機設(shè)計規(guī)范中，也對人員起吊的安全問題作了特別要求。以我司設(shè)計制造的80 t船用克令吊為分析對象，簡述其結(jié)構(gòu)和零部件布置，分析計算其在失效模式下的載荷情況，保障了其在使用過程中的安全性。

2 克令吊的基本布置

克令吊按驅(qū)動方式分為電力驅(qū)動和電液驅(qū)動，該80 t克令吊為電液驅(qū)動，其主要結(jié)構(gòu)部件為：臂架、人字架、回轉(zhuǎn)底盤、回轉(zhuǎn)軸承和圓筒體基座等。在回轉(zhuǎn)底盤上布置了司機室和液壓站房，作為人員安全操控克令吊的場所。80 t克令吊的基本布置見圖1。

圖1 克令吊基本布置圖

3 失效模式的計算

失效模式分析的目的，是驗證克令吊的司機室和液壓站在吊機發(fā)生嚴重超載損壞的情況下，不是首先出現(xiàn)損壞的主要零部件，能保證受困人員有足夠的時間等待救援，對人員起到最大限度保護作用。

3.1 計算方法

克令吊的失效模式分析，首先計算其主要結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵零部件的失效載荷，其次對各失效載荷進行比較，在任何情況下，支撐人員操作臺部件的失效載荷與首先失效的零部件失效載荷之比不得小于1.3。

以80 t克令吊為分析對象，失效載荷的計算可分為結(jié)構(gòu)件和零部件的失效載荷計算兩部分。主要結(jié)構(gòu)件選取臂架、人字架、回轉(zhuǎn)底盤和圓筒體，主要零部件選取主鉤鋼絲繩和變幅鋼絲繩。對80 t克令吊在各個工作幅度(6.6 m～35 m)工況下進行失效載荷計算。分析失效模式時，克令吊的受載情況等同于吊機在船外吊載工況下的受載。

3.2 結(jié)構(gòu)件的失效載荷計算

分析計算克令吊的失效載荷分為強度計算和整體穩(wěn)定性計算，并對兩部分的計算結(jié)果進行比較。

3.2.1 強度計算

克令吊的基本受力情況分析。失效分析時克令吊處于船外吊載工況，受到以下幾部分載荷的作用：一是吊鉤額定載荷SWL；二是外部載荷，包括自重載荷G、風(fēng)載荷P、吊機傾斜產(chǎn)生的載荷W1、加速度沖擊載荷W2等。在這些外力的作用下，吊機的各個結(jié)構(gòu)件會產(chǎn)生軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。其中，由吊鉤額定載荷SWL引起的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分別為fa2和fb2，由外部載荷引起的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分別為fa1和fb1。吊鉤額定載荷SWL會隨著工作幅度的變化而變化，從而造成每個幅度工況下的結(jié)構(gòu)件應(yīng)力都不一樣，導(dǎo)致克令吊失效的載荷是可變的吊鉤載荷。根據(jù)規(guī)范中的最低屈服應(yīng)力法，確定如下公式：

(fa1+fb1)+n×(fa2+fb2)=fy

(1)

式中，n為確定失效載荷的安全系數(shù)；fy為結(jié)構(gòu)件材料的屈服應(yīng)力。

由式(1)得：

(2)

對于鋼結(jié)構(gòu)的材料，其屈服應(yīng)力fy是一個恒定值，而式中的其他應(yīng)力，可以對克令吊運用Ansys建模，按工況加載外力進行程序運算后得出，代入公式(2)，克令吊各結(jié)構(gòu)件的失效載荷安全系數(shù)n均可求出。最后可通過公式P=n×SWL得到在強度計算下的各結(jié)構(gòu)件失效載荷P1。

3.2.2 整體穩(wěn)定性計算

對于同時承受軸向力和彎曲應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性可按以下公式計算[2]：

(3)

上式中包含了軸向力以及x和y兩個方向的彎曲應(yīng)力的因素。對于失效模式下的穩(wěn)定性計算，可把兩個方向的彎曲應(yīng)力合成，得出合成彎曲應(yīng)力，同時為了計算在失效臨界下的屈曲應(yīng)力，可把公式(3)簡化成以下公式：

(4)

式中，F(xiàn)a為許用軸向應(yīng)力；Fb為許用彎曲應(yīng)力；Fe為歐拉應(yīng)力；Cm為折算系數(shù)；n為確定失效載荷的安全系數(shù)。

公式(4)可通過等式轉(zhuǎn)換，演變成一個關(guān)于n的一元二次方程：

An2+Bn+C=0

(5)

運用求根公式得：

(6)

式中A、B、C為：

(7)

B=2Fb·fa1·fa2-Fe·Fb·fa2

-Cm·Fa·Fe·fb2-Fa·Fb·Fa2

(8)

-Fe·Fb·fa1-Cm·Fa·Fe·fb1

-Fa·Fb·fa1

(9)

A、B、C中的所有變量均可通過程序計算或查表得出，求出A、B、C的值，代入公式(6)，可求出安全系數(shù)n，最后可通過公式P=n×SWL得到各結(jié)構(gòu)件失效載荷P2。

將各結(jié)構(gòu)件強度和穩(wěn)定性的失效載荷P1和P2進行對比，取其小值，即為使各結(jié)構(gòu)件開始失效的失效載荷P。

3.3 零部件的失效載荷計算

鋼絲繩是克令吊重要的零部件[3]，吊機的主要動作，如吊鉤的升降和臂架的俯仰等都要由有足夠強度的鋼絲繩提供保障。因此，把主鉤鋼絲繩和變幅鋼絲繩作為分析對象，研究其在失效時的載荷情況，作為計算整機失效載荷的一部分。

鋼絲繩的失效載荷，取決于鋼絲繩的破斷拉力T和鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的纏繞倍率m。破斷拉力可在各鋼絲繩廠家樣本上查得，鋼絲繩倍率指支撐吊鉤或臂架進行動作的纏繞系統(tǒng)的鋼絲繩數(shù)。鋼絲繩的失效載荷Q，在不考慮纏繞系統(tǒng)的效率時，按以下公式計算：

Q=m×T

(10)

80 t克令吊的主鉤鋼絲繩直徑為34 mm，破斷拉力為108.2 t,主鉤纏繞系統(tǒng)倍率為4；變幅鋼絲繩直徑為34 mm，破斷拉力為97.7 t，變幅纏繞系統(tǒng)倍率為8。因此，鋼絲繩的失效載荷可以按公式(10)求出。

3.4 計算結(jié)果

整理80 t克令吊各結(jié)構(gòu)件和鋼絲繩零部件的失效載荷計算結(jié)果，匯總成表1。

表1 各幅度工況下部件失效載荷

表中，Ⅲ和Ⅳ表示承載人員的部件(回轉(zhuǎn)底盤和圓筒體)，在14 m工作幅度下，其與吊機其他部件的失效載荷之比為最小值1.306，即滿足最小1.3倍的要求，故80 t吊機在任何工況下的人員操作安全性，都滿足要求。反之，如果計算結(jié)果有小于1.3的情況出現(xiàn)，就需要對承載人員的吊機部件作局部加強，并重新計算，直至滿足要求，方可完成克令吊失效模式的分析計算。最終的克令吊失效模式分析結(jié)果，以載荷曲線表的形式呈現(xiàn)，可以比較直觀地看出各部件的失效載荷情況(見圖2)。

圖2 失效載荷曲線表

4 結(jié)語

船用克令吊的使用在海洋工程領(lǐng)域越來越廣泛，對于其安全性，尤其是關(guān)乎人員安全方面的要求也逐漸提高。因此，克令吊的設(shè)計，不僅僅需要考慮結(jié)構(gòu)布局，也要把安全性考慮在內(nèi)。對該克令吊的失效模式分析，能為安全性分析提供理論依據(jù)，優(yōu)化吊機性能，為今后該類型及其他相似類型的吊機的設(shè)計提供借鑒和參考。