岸邊集裝箱起重機整機海運柔性拉索壽命評估方法

劉 峻 賈攀攀

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）的整機運輸能大幅節(jié)約其制造成本。因海運工況的復雜性、岸橋結構過于高大的特點，岸橋設計階段對整機運輸充分考慮會極大增加岸橋的質(zhì)量和制造成本，在整機海運階段針對特定海況進行加強，是保證運輸安全的明智選擇。對海運階段的岸橋綁扎的方式有：用鋼圓管等構件作剛性加強和用鋼拉索進行柔性加強[1]。剛性加強的缺點有加固鋼管自身質(zhì)量大、長度長，作業(yè)要動用大型汽車起重機等起重設備，綁扎件不能重復利用，需要在高空進行焊接作業(yè)等，成本較大。而采用可調(diào)節(jié)長度，可重復使用的柔性鋼拉索綁扎方法（見圖1），能有效減少或避免以上缺點。為保證岸橋的整機運輸安全，需對岸橋整機綁扎的鋼拉索進行壽命評估，以適時對其進行淘汰和更新。

圖1 門框鋼拉索綁扎

為準確評估鋼拉索壽命，本文選取某航線的2臺岸橋運輸為分析對象，鋼拉索壽命評估方法為：1）從全球波浪數(shù)據(jù)庫中讀取波浪和風力數(shù)據(jù)作為環(huán)境參數(shù)；2）根據(jù)該參數(shù)結合船舶運動計算出岸橋整體的運動加速度；3）以實際裝載為依據(jù)建立計算模型，通過有限元計算獲取工況下的應力結果；4）結合相關規(guī)范要求得到該航次的疲勞損傷系數(shù)，并將該系數(shù)計入該拉索的累計損傷系數(shù)中，對比相關規(guī)范要求，當該累計損傷系數(shù)超過許用值時，將該拉索進行淘汰。

2 估算橫搖次數(shù)

2.1 波浪數(shù)據(jù)提取

根據(jù)實際航行線路，繪制該航次航線圖，如圖2所示。航線確定后，明確離開港口日期、航速，數(shù)據(jù)庫將根據(jù)內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)文件將各航區(qū)行駛里程、有義報告、風速等環(huán)境參數(shù)進行提取[2]。表1為該航線1月份出發(fā)的數(shù)據(jù)。

表1 單航次經(jīng)過海區(qū)時環(huán)境參數(shù)

圖2 波浪數(shù)據(jù)庫中航次航線繪制

2.2 航次橫搖次數(shù)計算

船舶橫搖周期是船舶裝載后的固有屬性，與船體結構、貨物裝載情況、船舶壓載等有關。該周期的計算采用軟件得到，本次計算實例的橫搖周期為12 s。根據(jù)航速和橫搖周期有計算橫搖次數(shù)（見表2）。有義波高取區(qū)間上限，如有意報告在0～1 m區(qū)間的，取1進行計算。對于大于6 m有義波高的浪，采取人為規(guī)避的措施。

表2 對單航次環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計及循環(huán)次數(shù)計算

3 計算拉索應力

拉索應力循環(huán)極值的影響因素較多，包括目的地、起航時間（月份）、船舶、貨物情況、裝載情況等。計算模型的簡化需對以上因素進行梳理，其中目的地、起航時間（月份）、船舶、裝載情況的影響最終都轉化為加速度載荷，貨物載荷的影響需與綁扎鋼拉索共同建模進行考慮。本文對示例到岸碼頭岸橋進行了詳細的建模，并利用水動力軟件計算了該配載狀態(tài)在不同有義波高海況下的加速度載荷，并根據(jù)該加速度載荷計算出不同有義波高下的鋼拉索極限應力。

3.1 模型

該工程仿真中采用了Beam 188、Link 180、MPC 184、Mass 21等多種單元結合的建模方式，其中Link180單元用于模擬鋼拉索單元（僅受拉不受壓）[3，4]。岸橋整機（含鋼拉索）模型如圖3所示

圖3 岸橋整機（含鋼拉索）模型

3.2 工況設計

本文以有義波高為4 m時，加速度荷載為例進行說明，如表3所示。在表3中，H為距離甲板面高度。工況設計如表4所示。

表3 波高4 m時環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生的加速度荷載

表4 工況設計

在表4中，G為重力，R、P、V分別為由橫搖、縱搖、垂蕩引起的加速度載荷。

3.3 應力結果（取最大工況）

將表4中6種工況的加速度值分別加載，選取其中的最大值作為該有義波高下的鋼絲繩周期循環(huán)的應力幅值。鋼拉索計算結果數(shù)據(jù)匯總見表5。

表5 鋼拉索計算結果數(shù)據(jù)匯總

4 疲勞壽命計算方法

以國際焊接學會IIW《Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components》(2015)對母材的疲勞壽命評估方法為依據(jù)。計算公式為

式中：C為常值，σ為應力幅值，m為指數(shù)系數(shù)，N為指定應力下S-N曲線上對應的循環(huán)次數(shù)[5]。各有義波高疲勞損傷比計算如表6所示。

表6 各有義波高疲勞損傷比計算

計算出航次疲勞累計損傷系數(shù)后，計入如表7所示的該拉索壽命損傷累計表格。

表7 某編號鋼拉索疲勞損傷比記錄

根據(jù)校核標準，當某航次拉索疲勞損傷系數(shù)計入時，累計損傷比Dr＞ 0.5，則該編號拉索即歸做報廢處理。

5 結語

根據(jù)計算結果有如下結論：1)有義波高4 m以下浪況對鋼絲繩壽命幾乎沒有影響；2)惡劣海況，特別是有義波高6 m以上浪況對鋼絲繩壽命影響極大，會大幅降低拉索壽命；3)對于有義波高在5 m以上的運輸航次需針對該航次計算疲勞損傷比并計入累計損傷比表格。

為保證海運整機的安全性，重復利用綁扎材料安全性的評估必須納入規(guī)范管理，而規(guī)范化的管理需結合技術、實際使用等各方面。本文對柔性拉索疲勞壽命的評估方法為該類工裝的使用壽命進行了探索，為工程人員提供借鑒。