特種集裝箱吊裝鋼絲繩的受力分析及設計選型

2020-11-26 03:47:10袁元周力民唐春秀

機械工程師 2020年10期

袁元，周力民，唐春秀

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇常州213025）

0 引言

隨著中國經濟高速發展，智能化變電站的建設越來越多。特種集裝箱作為變電站的基礎設備，其需求量也日漸增多。由于特種集裝箱種類繁多、定制化程度高，其對運輸過程中安全性提出了更高的要求。特種集裝箱的吊裝作業通常由起重機械、吊具及鋼絲繩等完成。因特種集裝箱的種類、規格、質量等不盡相同，其采取的吊裝方案也不盡相同，而鋼絲繩作為吊裝方案中必不可少的工具，其選型直接影響著吊裝過程的安全性。因此，對各類特種集裝箱的吊裝方案及其鋼絲繩受力分析是很有意義的。

1 集裝箱的起吊方式

1.1 頂部起吊

集裝箱頂部起吊即箱體的起吊點分布于箱頂。該起吊方式一般配備專用的集裝箱吊具。如圖1所示，專用吊具通常為框架式結構，四角設置有旋鎖機構，與集裝箱頂部的角件進行固定連接，框架結構的上部配有吊索或吊環與各類起重設備的鉤頭進行連接，從而實現起吊。該種方式廣泛應用于鐵路站、場及港口碼頭等大批量、標準化集裝箱的裝卸場所[1]。

圖1 集裝箱頂部起吊方案(專用吊具)

另一種常見的集裝箱頂部起吊方式如圖2所示，集裝箱旋鎖固定于箱頂4個角件中，通過鋼絲繩及卸扣將旋鎖與起重設備的吊鉤連在一起，進而實現起吊。相比于專用吊具，該吊具結構較為簡單，且成本較低，適用場合較為靈活，尤其適用于吊裝小規模的輕小型特種集裝箱。

1.2 底部起吊

集裝箱底部起吊即箱體的吊點分布于箱底。底部起吊時，吊具一般設置成橫梁形式，位于集裝箱的上方，橫梁兩端上下均設有卸扣，通過鋼絲繩將下卸扣與集裝箱箱底吊耳或者角件連接，以及上卸扣與起重設備的吊鉤連接，進而實現起吊。該類起吊方式多用于定制化、小批量特種集裝箱的吊裝場合，也適用于頂部無蓋板、無吊點的特種集裝箱的起吊場合。

集裝箱底部吊點（吊耳或者角件）通常放置于集裝箱的長度方向，沿中心線對稱布置。根據底部吊點的數量，底部起吊方式可劃分為四點起吊和八點起吊。四點起吊方式常適用于輕小型特種集裝箱的裝卸場合，如國網Ⅰ、Ⅱ預制艙、儲能集裝箱等；八點起吊方式則更多應用于超大超重型特種集裝箱的裝卸場合，如大型配電站中定制化的SVG、SFC等集裝箱。

2 吊裝鋼絲繩的受力分析

鋼絲繩作為一種常見的撓性元件，在各類集裝箱的吊裝方案中是必不可少的，其設計選型直接影響著吊裝作業的安全性。而鋼絲繩的選型與其所承受載荷的大小有關[2-4]。因此，對集裝箱的起吊方案中鋼絲繩進行受力分析是有必要的。

圖2 集裝箱頂部起吊方案2(簡易吊具)

2.1 頂部四點起吊

四點起吊在小型集裝箱裝卸場合較為常見，以典型的簡易頂部4點起吊為例，如圖3所示。圖中，4根鋼絲繩長度相等，a為集裝箱正面吊點間的距離，b為集裝箱側面吊點間的距離，α1為鋼絲繩在正面的投影夾角，α2為鋼絲繩在側面的夾角，P、P′分別為箱體幾何中心、質心在其頂面的投影點（下同）。忽略質量偏心的情況，默認P、P′兩點重合。根據力的合成與分解理論可知，鋼絲繩的受力大小如下：

式中：G為所起吊的箱體總重力；F為單根鋼絲繩所受到的拉力。

由式（1）可知，當夾角α1、α2越大時，鋼絲繩所受的力也就越大，因此，減小夾角可以改善鋼絲繩的使用壽命。

由于頂角α1、α2與鋼絲繩的實際長度l、其在主視圖的投影長度l′及吊點的位置有關，即：

圖3 頂部起吊方案(質量無偏心)

式中，l′=lcos (α2/2)。從中可以看出，當頂角α1、α2越小時，鋼絲繩的長度就會越長，進而對吊裝的場合提高了要求。綜上，對于簡易的頂部起吊而言，鋼絲繩的夾角通常不超過120°，不低于30°，宜選60°～90°之間[5-6]。

在實際吊裝過程中，集裝箱會存在質量偏心的情況，偏心就會導致每根鋼絲繩實際受力不完全相等。如圖4所示，若集裝箱質心在箱體長度方向與寬度方向的偏心距離分別為m、n，結合受力分析及杠桿原理，鋼絲繩1～4的受力大小如下：

由式（3）可知，F1為鋼絲繩中受力最大值，在實際應用中，按照最大值進行鋼絲繩選型與校核即可。

2.2 底部四點起吊

相比頂部四點起吊而言，底部四點起吊，鋼絲繩的受力情況更為復雜。圖5為一種典型的底部四點起吊方案，整個吊具由吊鉤、2組鋼絲繩（1#鋼絲繩等長2根，2#鋼絲繩等長4根）、1根兩端含有卸扣的橫梁組成。圖中，a為集裝箱正視面吊點距離，b為集裝箱側面吊點間的距離，b′為橫梁兩端卸扣間的距離，α1、α2分別為鋼絲繩在集裝箱正面與側面的夾角。β為側偏角，是鋼絲繩l2在左視圖上的投影與鉛垂線的夾角。忽略箱體偏心及吊具質量的影響，根據力的合成與分解理論，鋼絲繩的受力大小如下：

圖4 頂部起吊方案(質量偏心)

式中：G 為所起吊的箱體總重力；F1、F2分別為1#、2#鋼絲繩所受到的拉力（下同）。其中，夾角α1與2#鋼絲繩的長度l1及吊點距離a有關，夾角α2與1#鋼絲繩的長度l2及卸扣距離b′有關，即：

圖5 底部四點起吊方案(單橫梁形式)

結合式（4）～式（6）可知，當夾角α2越小時，1#鋼絲繩所受的力也就越小；當夾角α1越小時，2#鋼絲繩所受的力也就越小。但夾角越小，鋼絲繩的長度就越長。因此，夾角通常選擇在30°～120°之間，宜選60°～90°之間[5-6]。

此外，從式（5）也可以看出，2#鋼絲繩的受力大小還與偏角β有關。根據幾何關系，β的取值有：

從式（7）可知，當橫梁卸扣間距b′越小時，偏角β越小。因此，卸扣間距只應略大于吊點側面間距，保證鋼絲繩不與箱壁接觸摩擦即可。在實際應用中，側偏角的取值通常選擇在0°～5°之間。

在上述底部四點起吊方案中，當夾角α1、α2相同時，1#鋼絲繩比2#鋼絲繩受力大近1倍，若按照同規格的鋼絲繩進行選型，往往會造成不必要的浪費。圖6為另一種常見的底部四點起吊方案，吊具由2組鋼絲繩（每組鋼絲繩各等長4根）、2根含有卸扣的橫梁組成。根據力的合成與分解理論，鋼絲繩的受力大小如下：

圖6 底部四點起吊方案(雙橫梁形式)

式中：α1為鋼絲繩在集裝箱正面的投影夾角；α2為鋼絲繩側面夾角；β′為鋼絲繩l2在與a平行方向的鉛垂面的夾角。為簡化計算，且由于數值相差很小，以下八點起吊時也均默認β′=β。在起吊穩定狀態時，1#鋼絲繩與2#鋼絲繩在正視面的投影共線，令其投影總長度為l1+2′，則有：

夾角α1與1#、2#鋼絲繩在正視面的投影長度l1+2′及吊點距離a有關，夾角α2與1#鋼絲繩的長度l1及卸扣之間的距離b′有關，即：

式中，h′為橫梁上的卸扣在主視圖的投影點距離吊點的垂直高度，即有：

結合式（8）～式（13）可知，2#鋼絲繩的受力大小要低于1#鋼絲繩的受力大小，若兩組鋼絲繩采用同一種型號，只需按照1#鋼絲繩的受力情況來進行選型與校核即可。

2.3 八點起吊

對于大型特種集裝箱，如箱體長度超過12 m的國網Ⅲ型預制艙、SFC特種集裝箱等，為了減小起吊時箱底的變形量，往往會采用八點起吊方案。圖7為常見的一種八點起吊方案，吊具由吊鉤、2個橫梁、2組鋼絲繩組成，每組鋼絲繩各4根，其中2#鋼絲繩直接穿過卸扣，兩端分別與集裝箱底座的吊點相連。忽略箱體偏心及吊具質量的影響，根據力的合成與分解的原理，每組鋼絲繩的受力大小如下：

式中：G 為吊裝箱體的總重力；F1、F2分別為上、下兩組單根鋼絲繩所受拉力的大小；α1、α2分別為1#鋼絲繩在正面的投影夾角及在側面的夾角；α3為2#鋼絲繩之間的夾角；β為側偏角（下同）。由于F2鋼絲繩穿過卸扣，忽略摩擦力，這兩個F2的大小相等，方向均沿著鋼絲繩的方向；F1cos(α2/2)在上述2個力的反向角平分線方向。

α2的大小與底部四點起吊方案相同，其值與1#鋼絲繩的長度l1及橫梁兩端卸扣間的距離b′有關，即：

圖7 底部八點起吊方案(單吊鉤形式)

偏角β取值參考式（12），其中橫梁上的卸扣距離箱底的高度h′難以直接用公式表示出來。同樣α1、α3的取值也難以直接用公式表達出來，但它們均可以通過作圖方法畫出來。具體方法如下：

2）在起吊過程中，默認吊鉤點O在集裝箱的中心線上；

3）側偏角β很小（0°～5°），忽略其影響；

4）若上組1#鋼絲繩在集裝箱主視面投影長度為l1′，則有l1′=l1cos (α2/2)，以吊鉤點O為圓心、長度l1′為半徑畫圓；當橢圓與圓相切時，此時即為起吊時穩定狀態。在圖中量取夾角α1、α3的大小及h′，代入式（14）～式（16），即可算出各組鋼絲繩的受力大小。

此種八點起吊方案適用于幾何中心與質心重合的集裝箱吊裝。但對于一些定制的特種集裝箱，其內部會安裝有質量大的設備，如變壓器、電抗器等，就會導致集裝箱在長度方向存在質量偏心的情況。若用該方案起吊，就會引起箱體沿著長度方向產生較大傾斜，這給吊裝帶來了較大不利。

如果條件允許，可采雙吊鉤進行起吊。如圖8所示，吊具由雙吊鉤、2組鋼絲繩（1#鋼絲繩等長4根，2#鋼絲繩等長8根）、2根兩端含有卸扣的橫梁組成。每個吊鉤的起吊可看成圖5所示的底部四點起吊方案。若質心在沿箱體長度方向的偏移距離為m，令兩個吊鉤之間距離為n，根據力的合成與分解理論及杠桿原理，鋼絲繩的受力大小如下：

式中，α1、α2和β的取值可參照式（6）、式（7）來計算。

由式（17）～式（20）可知，上、下兩組鋼絲繩分別按照F1-2、F2-2最大的情況來選型和校核即可。值得注意的是，在實際應用中吊鉤點之間的距離要滿足兩吊車同時起吊的操作空間。

圖8 底部八點起吊方案(雙吊鉤形式)

3 鋼絲繩的選型案例

某項目中的特種SFC集裝箱，其外形尺寸（長×寬×高）為13.5 m×3.2 m×3.4 m，該集裝箱質量達27 t（包含內部設備），集裝箱無偏心。集裝箱底座沿長度方向雙側共設有8個吊耳，且呈中心對稱布置，單側吊耳的間距依次為3.0、4.5、3.0 m。針對此集裝箱，進行吊裝鋼絲繩的設計選型。

3.1 鋼絲繩的受力計算

該集裝箱尺寸、質量較大，且不存在質量偏心，可采用單吊鉤雙側8點起吊方案。根據經驗，上組4根1#鋼絲繩長度l1預選為4m；為了保證起吊時橫梁高出箱體并不引起干涉，下組4根2#鋼絲繩長度l2可選長一些，預選其為9 m。為了防止起吊時鋼絲繩與箱壁接觸摩擦，橫梁兩端卸扣的間距應略大于箱體寬度，選其間距為3.5 m。

由式（14）、式（15）可知，鋼絲繩的受力大小與側偏角β，鋼絲繩的夾角α1、α2、α3有關，因此需解出各角度的大小。

根據式（16），α2取值為

將橫梁上下的卸扣簡化為一個質點，并忽略側偏角β的影響，通過2.3節的作圖法，如圖9所示，求解出：α1=54°，α3=35°，h′=3.86 m。

圖9 單吊鉤底部八點起吊方案(作圖法)

將h′代入式（12）得，β≈2.2°。

將α1、α2、α3、β代入式（14）、式（15），可得出：

3.2 鋼絲繩的選型

鋼絲繩的選型主要由其實際使用的工作場合及載荷大小決定的。鋼絲繩的許用拉力為

式中：FP為鋼絲繩的破斷拉力；K為安全系數。鋼絲繩的安全系數主要與工作性質及材料的均勻性、沖擊性等因素有關。通常，鋼絲繩作為起吊設備使用時，安全系數為6～7[7]，起吊時仍要緩慢操作。

鋼絲繩的實際載荷要小于其許用拉力，根據國標《GB8918 重要用途鋼絲繩》[8]，對于1#鋼絲繩，選擇鋼芯鋼絲繩，型號為6X37S+IWR-1770，鋼絲繩直徑為30 mm，最小破斷拉力為567 kN，單根長度為4 m，安全系數為6.86；對于2#鋼絲繩，選擇6X37S+IWR-1770，鋼絲繩直徑為20 mm，最小破斷拉力為252 kN，單根長度為8 m，安全系數為6.46。

圖7、圖9還有一種變形實施方式，可以把鋼絲繩2縮短，在鋼絲繩1、鋼絲繩2之間增加一根鋼絲繩，對應受力分析結論及作圖法完全適用。按該變形實施方式，在現場特種SFC集裝箱起吊時驗證并操作使用，達到了很好的效果，如圖10所示。

除了鋼絲繩的校核外，在應用中還需要考慮吊耳、卸扣、橫梁等吊裝用具的設計選型及強度校核。