輪胎式集裝箱起重機立柱隔板開裂問題分析與處理研究

摘 要：輪胎式集裝箱起重機經長期使用后將進入疲勞狀態，并引發開裂問題，為避免疲勞開裂問題對工業活動產生不利影響，需了解立柱隔板開裂問題影響因素及處理方法。基于此，本文選取某輪胎式集裝箱起重機維修項目為研究對象，探析其立柱隔板開裂問題產生原因，并結合分析結果提出輪胎式集裝箱起重機立柱隔板處理方法，旨在規避立柱隔板疲勞開裂現象，改進立柱隔板結構。

關鍵詞：輪胎式集裝箱起重機;立柱隔板;開裂

引言：輪胎式集裝箱起重機作為港口集裝箱轉運主要機械設備，其質量關乎作業安全性及效率質量，在本次立柱隔板研究中，選用有限元模型分析方法，借助ANSYS軟件展開綜合分析，解析輪胎式集裝箱起重機結構強度，分析立柱隔板開裂問題產生原因，避免因起重機長期服役而縮短其使用壽命，并防止立柱隔板開裂問題引發安全事故。

1 輪胎式集裝箱起重機有限元模型分析

分析立柱隔板開裂問題產生原因時，應明確輪胎式集裝箱起重機結構，在本次維修項目中，運用節點耦合技術構建輪胎式集裝箱起重機有限元模型，圍繞殼單元（SHELL63）、梁單元（BEAM44）展開模型分析，在該輪胎式集裝箱起重機結構中，殼單元用以模擬立柱隔板，梁單元用以模擬大梁與立柱。考慮到立柱隔板受力結構，初步判斷起重機驅動電機不同步與立柱隔板圓弧半徑可對疲勞開裂問題產生影響，為加以驗證，后續將從這兩個角度展開計算分析，判斷以上兩個因素是否可對立柱隔板疲勞壽命產生干擾，逐步分析，最終得出輪胎式集裝箱起重機出現立柱隔板開裂問題的原因，且根據分析結果得出立柱隔板開裂問題預防方法。

SHELL63殼單元為彈性殼單元，具有薄膜、彎曲功能，存在4個節點，可形成法向載荷與平面載荷，同時4個節點各有6個自由度，各節點沿坐標軸平移或繞坐標軸旋轉時，可產生變形特性與應力剛化特性，SHELL63殼單元展開有限旋轉分析時，運用一致切線剛度矩陣加快收斂速度。BEAM44梁單元為彈性梁單元，具有3D不對稱變截面，擁有拉伸、彎曲、扭轉、壓縮等功能，各節點均具有6個自由度，可沿坐標軸旋轉與位移，在BEAM44梁單元中，節點處幾何形狀呈現出非對稱特征，且各節點可相對于質心產生偏移，擁有模擬起重機立柱結構可表現出截面漸變特點。

圖1為輪胎式集裝箱起重機有限元模型及立柱隔板，為確保計算效果，明確立柱隔板應力結構，有限元模型中僅運用SHELL63殼單元建立一根立柱模型，即圖1中黑色立柱，大梁及其余立柱均采用BEAM44梁單元進行模擬，SHELL63殼單元與BEAM44梁單元借助節點耦合技術實現銜接，有限元模型具有空間坐標方向，存在X、Y、Z三個坐標軸方向，其中，X、Z分別為小車軌道方向、大車移動方向，而Y代表豎直方向。

2 輪胎式集裝箱起重機載荷分析

輪胎式集裝箱起重機運行期間除受到小車、門框、吊具等豎直方向自重載荷外，還受到大車制動、起動所生成的水平載荷及起重機兩側電機不同步造成的位移載荷。在本次維修項目中，所涉及的起重機載荷及其數值為：起重機自身載荷220t、小車自重載荷37t、吊具系統載荷18t、額定起升載荷50t、大車水平載荷24.3t、不同步位移載荷200mm。本次有限元模型基于ANSYS軟件建立，為明確立柱隔板應力結構，除施加載荷外，需增設輪胎式集裝箱起重機自由度約束，以此確保計算效果。

3 立柱隔板應力計算

3.1 電機不同步應力計算

在立柱隔板電機不同步應力計算時，僅考慮起重機自身載荷、小車自重載荷、吊具系統載荷、額定起升載荷、大車水平載荷，在輪胎式集裝箱起重機運行期間，立柱隔板所承受最大應力為中間立柱隔板處，在無不同步位移載荷情況（如圖2所示）下，最大應力為45MPa，當在起重機兩側加入不同步位移載荷后，立柱隔板最大應力如圖3所示，出現在中間偏下處立柱隔板上，此時最大應力數值約為186MPa，經圖2、圖3直觀性對比后，可直觀判斷出電機不同步所產生的額外載荷，由此可判斷，起重機兩側電機不同步可促進立柱隔板疲勞開裂問題的產生。

3.2 隔板圓弧半徑應力計算

為更好地得出立柱隔板圓弧半徑對其所受應力大小的影響，于立柱隔板轉角位置設置三角板，如圖4所示，未增加三角板結構時，立柱隔板圓弧半徑為50mm，增加三角板結構后，立柱隔板圓弧半徑為200mm，依據上述載荷大小，將載荷數據添加至有限元模型中，運用ANSYS軟件分析增加三角板前后的立柱隔板最大應力。

未增加三角板前，立柱隔板最大應力為186MPa，增加三角板結構后，采用ANSYS軟件展開分析，最終得出最大應力縮減至59.97MPa，數據變化明顯，由此可見，輪胎式集裝箱起重機立柱隔板圓弧半徑數值大小可引起最大應力變化，對最大應力的削減效果較為顯著，在抑制輪胎式集裝箱起重機立柱隔板疲勞開裂問題時，應注意增加立柱隔板圓弧半徑。

4 立柱隔板疲勞壽命分析

4.1 影響因素判定

輪胎式集裝箱起重機主要負責港口集裝箱轉運工作，需重復性展開抓箱、放箱工作，導致起重機構件在反復作業操作下承受循環應力，經上述計算可得，輪胎式集裝箱起重機立柱隔板最大應力在全部載荷下可達186MPa，小于輪胎式集裝箱起重機機械靜強度許用值230MPa，但在長期使用中輪胎式集裝箱起重機進入疲勞運行狀態，并產生疲勞開裂問題，由此可見，輪胎式集裝箱起重機立柱隔板疲勞壽命為造成疲勞開裂問題的主要因素之一。疲勞壽命主要與構件外形結構、截面尺寸、表面加工質量有關，通常情況下，構件外形結構若導致立柱隔板應力較為集中，則會導致疲勞壽命較短，構件截面尺寸與立柱隔板疲勞壽命成反比，即橫截面尺寸在滿足構件標準的情況下越小，則疲勞壽命越大;加工質量越高，則疲勞壽命越高。

上述計算分析的立柱隔板圓弧半徑屬于構件外形，增加三角板結構后，三角板結構將立柱隔板所受應力分散，避免了應力集中情況出現，且不同圓弧半徑所產生應力集中系數均有差異。應力集中為局部應力增高的情況，多出現在孔洞、溝槽、缺口、剛性約束等構件形狀急劇變化的構件位置，應力集中現象將某區域內應力集中到一起，并產生應力集中點，極易造成立柱隔板疲勞裂紋問題，甚至可引發脆性材料靜載斷裂問題。應力集中應力除受構件幾何形狀影響外，還與加載方式有關，在機械構件疲勞計算中，Kf應力集中系數可影響集中應力處最大應力數值，繼而對立柱隔板疲勞壽命造成影響。《鋼結構疲勞設計規范（BS 7608-1993）》中指出，立柱隔板50mm轉角半徑所對應的應力集中系數為Kf=3.6，上述增加三角板后，轉角半徑增加至200mm，此時有Kf=2.9，根據《鋼結構疲勞設計規范（BS 7608-1993）》中指出，當立柱隔板轉角區域滿足C級疲勞等級時，此時立柱隔板構件所受循環應力為78MPa，立柱隔板疲勞壽命可達1000萬次[1]。

4.2 線性累積損傷

當應力循環至一定程度時，構件所承受的循環應力與疲勞損傷線性疊加，當損傷累積至限定值時，立柱隔板構件將發生疲勞開裂現象。設定某輪胎式集裝箱起重機立柱隔板共受個應力水平，且各應力水平下立柱隔板構件具有個疲勞壽命等級，立柱隔板構件循環次數依次為，此時各應力水平下立柱隔板構件所承受疲勞損傷為，總疲勞損傷有，疲勞損傷臨界值為1，當疲勞損傷線性積累到一定程度時，則立柱隔板構件會發生疲勞開裂問題，此為線性累積損傷理論下的立柱隔板開裂問題分析，雖該理論存在一定缺陷，無法確保疲勞損傷臨界值嚴格為1，同樣無法確保疲勞損傷累積為線性疊加，但該方式同樣可證明疲勞損傷對立柱隔板開裂問題影響，且適用于輪胎式集裝箱起重機立柱隔板工程要求。

4.3 計算疲勞壽命

為進一步驗證輪胎式集裝箱起重機立柱隔板的開裂問題產生原因，了解線性累積損傷對立柱隔板的疲勞損傷效果，將疲勞載荷設定為30萬次、40萬次、60萬次、70萬次四個等級，根據立柱隔板應力，分別計算出四個疲勞載荷等級下疲勞壽命，設定三種工況，工況一：立柱隔板轉角半徑50mm、不含不同步位移載荷;工況二：立柱隔板轉角半徑50mm、包含不同步位移載荷;工況三：立柱隔板轉角半徑200mm、不含不同步位移載荷[2]。工況一在四個疲勞載荷等級下的最大應力分別為45MPa、28MPa、17MPa、9MPa;累積損傷分別為0.263、0.052、0.008、0.0002;工況二在四個疲勞載荷等級下的最大應力分別為186MPa、144MPa、96MPa、63MPa;累積損傷分別為0.574、0.305、0.104、0.025;工況三在四個疲勞載荷等級下的最大應力分別為60MPa、37MPa、25MPa、14MPa;累積損傷分別為0.374、0.076、0.022、0.002。經上述數值可知，電機不同步且轉角半徑較小在無應力集中現象時，立柱隔板仍會很快開裂，當轉角半徑增加至200mm時，即便存在應力集中，仍可延長立柱隔板疲勞壽命約1倍。

5 立柱隔板開裂問題處理方法

經上述計算分析可知，輪胎式集裝箱龍門起重機立柱隔板開裂主要與轉角半徑、電機同步性有關，且疲勞壽命同樣會影響開裂效果，為規避立柱隔板開裂問題，應在滿足機械構件功能標準基礎上，盡可能增大立柱隔板轉角半徑，在上述計算中，當轉角半徑由50mm增加至200mm時，最大應力由186MPa降低至59.97MPa，因此在處理立柱隔板開裂問題時，應將轉角半徑問題考慮在內。上述工況一與工況二的差別在于立柱隔板是否含有不同步位移載荷，分析最大應力及疲勞損傷計算結果可知，當輪胎式集裝箱起重機電機同步性較弱時，產生不同步位移載荷，此時可促進立柱隔板開裂問題的產生，因此為抑制立柱隔板開裂問題問題，應確保輪胎式集裝箱起重機兩側電機同步性，消除不同步位移載荷。上述計算分析時，設定四種疲勞載荷，隨著疲勞載荷的變化而產生不同效果，為延長疲勞壽命，應盡可能提高疲勞等級，此時需加強立柱隔板構件加工精度，通過提升構件質量，控制立柱隔板開裂問題的產生。

結束語：綜上所述，輪胎式集裝箱龍門起重機立柱隔板開裂將對集裝箱轉運工作造成不利影響，產生安全隱患，不利于港口作業的開展，為避免立柱隔板開裂問題阻礙作業，需全面分析立柱隔板開裂問題出現原因，有針對性地做出調整優化，完善機械結構，延緩立柱隔板開裂問題產生時間，控制構件轉角半徑，確保電機同步性，提高機械構件精度，以此延長輪胎式集裝箱龍門起重機使用壽命。

參考文獻：

[1]高學柳，劉楊，朱德平.輪胎式集裝箱龍門起重機大車疑難故障解決方案[J].集裝箱化，2020，31（03）：23-25.

[2]孟凡青.岸邊集裝箱起重機維修改造[J].設備管理與維修，2020（04）：88-89.

作者簡介：

顧陳棟 （1984.01-），男;籍貫：上海市崇明區，助理工程師，研究方向：港口機械設備的維修保養。

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）