集裝箱門式起重機加高門腿安全性能分析*

江愛華 尤海珍 何山 陳敏 王新華

技術應用

集裝箱門式起重機加高門腿安全性能分析*

江愛華1尤海珍2何山1陳敏1王新華1

（1.廣州特種機電設備檢測研究院，廣東 廣州 510180 2.內蒙古自治區特種設備檢驗研究院包頭分院，內蒙古 包頭 014000）

為提升貨物堆放高度，將集裝箱門式起重機門腿進行加高改造。利用有限元建模對集裝箱門式起重機加高門腿在3種工況下的結構強度、剛度等安全性能進行分析，并對結構穩定性進行驗算，為加高改造后的相關設備整體安全性能研究提供一種新思路。

集裝箱；門式起重機；加高門腿；安全性能

0　引言

隨著國際航運貿易的發展，集裝箱門式起重機作為港口碼頭重要的大型搬運機械在物流運輸中廣泛應用[1-2]。同時經濟的持續發展，對港口貨物吞吐量的要求也越來越高[3]。當前，許多港口碼頭采用增加貨物堆放層數來應對貨物吞吐量增多的難題，由原來堆放的五層增加至六層，甚至七層。老舊門式起重機無法滿足新的堆高要求，需進行加高改造，即在門式起重機4個支腿上安裝加高結構，同時在下橫梁安裝門腿內側聯系橫梁，達到增加起升高度的目的。

集裝箱門式起重機經加高改造后，需考慮安全性能。其安全性能指標主要包括結構穩定性、強度、剛度等[4-7]。本文針對一臺JMQ7t-33m集裝箱門式起重機加高改造后的結構穩定性、強度、剛度進行有限元分析；采用SHELL63單元模擬整機結構件，同時考慮結構的屈曲與彎矩，研究其整體安全性能[8-9]。

1 設備概況

JMQ7t-33m集裝箱門式起重機于1999年投產使用，為滿足工作需要，將4條門腿截斷，分別安裝高度約為3.3 m的分段，再將主梁安裝在門腿上，從而將門腿高度從12.2 m提升到15.5 m，模型如圖1所示。

圖1　整機有限元模型

2 主要參數

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機運行工況包括：

工況1，小車額定載荷運行至端梁制動；

工況2，小車額定載荷運行至主梁中部制動；

工況3，小車額定載荷位于主梁中部，大車運行制動。

3 有限元建模分析

1）空載

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機空載位移變形圖如圖2所示，最大位移為11.2 mm，位于主梁中部。

圖2　加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機空載位移變形圖

2）工況1

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機在工況1時的位移云圖如圖3所示，應力云圖如圖4所示。

圖3　工況1位移云圖

由圖3可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機最大位移為13 mm，位于跨中，載荷產生的位移為1.8 mm，小于標準要求的33 mm，此工況下結構剛度滿足要求。

由圖4可知，最大應力位于門腿內側，約33 MPa。依據GB/T 3811—2008，金屬結構強度安全系數選用1.34，基本許用應力為175 MPa。此工況下最大應力強度滿足要求。

圖4　工況1應力云圖

3）工況2

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機在工況2時的位移云圖如圖5所示，應力云圖如圖6所示。

圖5　工況2 位移云圖

圖6　工況2應力云圖

由圖5可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機最大位移為26.8 mm，位于跨中，載荷產生的位移為15.6 mm，小于標準要求的33 mm，此工況下結構剛度滿足要求。

由圖6可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機最大應力位于主梁中部，約為52 MPa。依據GB/T 3811—2008，金屬結構強度安全系數選用1.34，基本許用應力為175 MPa。此工況下最大應力強度滿足要求。

4）工況3

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機在工況3時的位移云圖如圖7所示，應力云圖如圖8所示。

圖7　工況3位移云圖

由圖7可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機最大位移為27.3 mm，位于跨中；載荷產生的位移為16.1 mm，小于標準要求的33 mm，此工況下結構剛度滿足要求。

圖8　工況3應力云圖

由圖8可知，加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機最大應力位于主梁中部，約為53 Mpa。依據GB/T 3811—2008，金屬結構強度安全系數選用1.34，基本許用應力為175 MPa。此工況下最大應力強度滿足要求。

4 門腿加高后結構穩定性分析

加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機門腿尺寸與板厚如圖9所示。

圖9　加高改造后的JMQ7t-33m集裝箱門式起重機門腿尺寸與板厚圖

在工況3下，根據偏心受壓實體構件的有關設計要求對門腿結構穩定性進行評估。偏心受壓實體構件的穩定性計算采用以下公式：

式中，λ、λ分別為構件對和軸的長細比；l、l分別為構件對和軸的計算長度；r、r分別為構件對和軸的回轉半徑；I、I分別為構件對和軸截面的慣性矩。

=F×= 18 312 N×18 500 mm = 3.38e8 N·mm

=F×= 3 400 N×18 500 mm = 6.29e7 N·mm

=I/= 15 322 758 544/870 = 1.76e7 mm3

=I/= 7 885 561 451/555 = 1.42e7 mm3

=F橫向×

=F橫向×

由于橫向應力F橫向和F橫向為0，因此構件橫向載荷繞和軸的彎矩為0。

則有如下計算：

5 總結

集裝箱門式起重機經過加高改造后，由于運行參數改變，其整體安全性能也相應發生變化。為此，需進行安全性能分析，掌握其安全運行情況，防止引發安全生產事故。而且設備結構參數發生了變化，需獲得當前設備安全性能參數。采用傳統測試方法較為復雜，且具備一定風險。本文采用有限元獲取結構的應力云圖和位移云圖，直接提取強度和剛度參數進行析，并同時對穩定性進行計算分析，提升了分析精度。

[1] 李濤.軌道式集裝箱門式起重機技術特點及設計[J].當代化工研究,2020(22):139-140.

[2] 黃正球,秦昊.基于應力測試的輪胎式集裝箱門式起重機安全評估[J].西部特種設備, 2021,4(1):46-49,56.

[3] 胡勝文,江愛華,何山.輪胎式集裝箱門式起重機加高改造動態特性分析[J].自動化與信息工程, 2017,38(4):31-34.

[4] 全國起重機械標準化技術委員會.GB/T 3811-2008 起重機設計規范[S].北京:中國標準出版社,2008.

[5] 何山,江愛華.起重機自重應力對安全評估中應力測試實驗結果的影響[J].起重運輸機械,2020(5):80-82.

[6] 黃國健,劉柏清,王新華,等.在役門座式起重機應力測試技術探討[J].自動化與信息工程,2011,32(6):29-31.

[7] 張勇,咼中樑,何山.龍門起重機的振動分析[J].自動化與信息工程,2018,39(2):8-12.

[8] 陳敏,黃國健,吳粵平,等.基于有限元的門座起重機結構強度分析及應力測試[J].自動化與信息工程, 2013,34(4):31-34.

[9] 何山,黃國健,陳敏.有限元分析在橋式起重機主梁局部穩定性校核中的應用[J].自動化與信息工程, 2019,40(6):44-48.

Safety Performance Analysis of Container Gantry Crane Heightening Portal Leg

Jiang Aihua1You Haizhen2He Shan1Chen Min1Wang Xinhua1

(1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing, Guangzhou 510180, China 2.Baotou Branch of Inner Mongolia Special Equipment Inspection and Research Institute, Baotou 014000, China)

In order to improve the stacking height of goods, the portal leg of container gantry crane is raised. Using finite element modeling, the structural strength and stiffness of container gantry crane heightening portal leg under three working conditions are analyzed, and the structural stability is checked. It provides a new idea for the research on the overall safety performance of relevant equipment after heightening and transformation.

container; portal crane; heightening portal leg; safety performance

廣州市市場監督管理局科技項目（2021kj25）

江愛華，男，1983年生，研究生，高級工程師，主要研究方向：機電類特種設備安全檢驗檢測和結構安全評估。E-mail: aiwa9104@126.com

尤海珍，女，1978年生，大學本科，高級工程師，主要研究方向：機電類特種設備安全檢驗檢測和結構安全評估。E-mail: 121430388@qq.com

何山，男，1987年生，研究生，高級工程師，主要研究方向：機電類特種設備安全檢驗檢測和結構安全評估。E-mail: 516315464@qq.com

陳敏，男，1988年生，研究生，高級工程師，主要研究方向：機電類特種設備安全檢驗檢測和結構安全評估。E-mail: 502414769@qq.com

王新華，男，1980年生，博士，教授級高工，主要研究方向：機電類特種設備安全檢驗檢測和結構安全評估工作。E-mail: exwangxinhua@163.com

TH213.5

A

1674-2605(2021)06-0010-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.06.010