基于有限元的集裝箱吊具改造設計和結構分析

彭 鑫

(江蘇省南通市通海港口有限公司 江蘇南通 226000)

我國集裝箱物流業發展起步較晚，隨著我國對外開放政策的推進實施，多個自貿區建立為集裝箱物流貨運發展提供新動力。鐵路系統物流運輸集裝箱運輸不斷增長，全國形成40多個集裝箱作業站，開展固定班列的集裝箱運輸系統建設。港口集裝箱起重機堆場裝卸設備作業中，通常在吊具配置導板機構，港口集裝箱堆場裝卸中涉及自動收縮吊具導板，可有效降低吊具作業中的硬沖擊。吊具精度決定起重機設備生產效率，普通集裝箱吊具框架通過軸銷連接，實際搬運裝卸作業需要吊具旋轉90°，吊具框架沿用普通集裝箱吊具結構，去掉起承載軸銷，吊具部分采用普通集裝箱伸縮式結構。

一、集裝箱吊具簡介

經濟全球化帶動對外的發展，海運完成全球貿易總量70%以上的貨運，海運貨柜集裝箱發揮重要作用，我國港口運輸年均增長率達30%，推動我國外貿的發展。正面吊運機應用于貨運中轉站等，能進行隔箱作業，具有作業效率高等優點，是理想的裝卸搬運設備。集裝箱集散地、鐵運站對集裝箱裝卸搬運機械提出了更高的要求，而正面吊運機型具有機動性強等特點。

正面吊運機吊具系統采用伸縮式吊具，可左右側向移動，使集裝箱準確對位。可對不同尺寸集裝箱吊裝提供很大的便利性[1]。正面吊具結構性能難以理論分析手段解決，有限元分析可通過分析軟件模擬在不同工況下力學性能。集裝箱正面吊機結構具有適用范圍廣，伸縮臂架構性能好，吊具可左右旋轉等優點。吊具對復雜場合目標作業，可伸縮適應不同尺寸集裝箱，臂架運動帶動集裝箱升降，變幅運動在液壓系統作用下同步進行，吊裝生產效率大幅度提高。正面吊運機可用于不同場合，同時具有叉車特點，能堆垛四個集裝箱。吊裝重量超過吊運機允許起重量機構鎖死，吊裝重物時機器行駛速度過高將使發動機停運。

1970年，Belotti公司發明首臺集裝箱正面吊運機，基于自身擁有技術基礎，將生產起重機改進生產B75，多功能吊具等部件組成B75正面吊運機，主要技術性能包括吊具可用于20ft，35ft集裝箱作業，側移-800～+800 mm，最高行駛速度26 km/h。1980年后，許多國際知名公司開始集裝箱調運設備開發，大多集中于歐洲地區。正面吊運機制造工藝逐步走向成熟，吊具應用進行改善，提高吊運機工作效率，優化車架結構與臂架支撐結構。目前，正面吊運機使用遍布世界各地，呈現快速發展趨勢，向生產制造專業化、機器大型化、電氣控制智能化等方向發展。

二、有限元分析集裝箱吊具結構改造設計

港口集裝箱起動機吊具配置導板結構控制形式分為機械固定式與液壓活動式。液壓活動式吊具導板機構控制形式改造性能受系統工作環境影響，采用電磁閥換向控制方式，存在沖擊大、維修成本高等問題，機械固定式吊具導板采用螺栓固定安裝形式，導板機構采用剛性連接方式，易因碰撞發生變形損壞，因吊具著箱偏差造成與頂部撞擊引發貨損。設計港口集裝箱起重機自動收縮吊具導板，需做好旋轉機構選型與吊具結構設計。

采用滾動軸承式回轉支承，吊具旋轉部分固定在大軸承回轉座圈，通過驅動支承平臺旋轉。采用兩只油缸驅動，固定座受力均衡，每只油缸兩端利用固定銷固定在吊具框架地面，集裝箱吊具通過油缸伸縮實現水平面旋轉，油缸縮回可使吊具旋轉回原位置。改造建立在普通集裝箱吊具基礎上，采用4條支腿支承、回轉支承等結構[2]。為使油缸活動空間加大，選把油缸布置在支承平臺底部。支腿選用箱形結構，受荷載為集裝箱Q=40t，支腿受外載F=12.5t，每條支腿自重Q2=0.5t。

利用有限元分析軟件進行結構分析，支腿可視為兩端剪支梁單元，獲得最大位移為Smax=2.556 mm,最大應力σmax=245.0 MPa。支承底座向內移動，需要計算吊具橫梁強度，橫梁變形過大影響伸縮架伸縮。吊具橫梁主要受集裝箱拉力，吊具框架電機壓力等，吊具橫梁1/4受力分析，伸縮架自重T2=0.5t，忽略推桿對伸縮架的剛度影響。最大應力為σmax=245.0 MPa，最大位移Smax=39.06 mm，可滿足剛度強度要求。

三、結束語

集裝箱吊具改造滿足搬運裝卸對吊具帶載旋轉要求，液壓油缸方案具有改造方便等優點，可帶來較好的經濟效益。有限元分析軟件可方便求解結構強度，為優化結構尺寸提供依據。港口集裝箱起重機吊具導板應用于某集裝箱碼頭起重機吊具取得良好效果。作業操控性強，降低軌道吊具作業硬沖擊導致導板損壞情況，未發生導板及部件損壞，降低維護維修成本，適用于集裝箱堆場裝卸起重機，為港口集裝箱起重機裝卸工藝設計提供借鑒。