集叉式正面吊的改造设计

□ 李俊哲

营口港务集团有限公司 辽宁 营口 115007

集叉式正面吊的改造设计

□ 李俊哲

营口港务集团有限公司 辽宁 营口 115007

介绍了集叉式正面吊的改造，在改造中将原正面吊的集装箱吊具卸下，安装新设计的钢坯专用吊具，并连接已有的钢坯夹具进行装卸钢坯作业。通过对吊具规格、强度、刚度、稳定性进行计算和校核，确认满足使用要求。改造后的集叉式正面吊在装卸钢坯过程中运行良好。

正面吊；装卸；技术改造

1 改造背景

装卸钢坯的任务繁忙，而港区内专用机械设备不足，导致装有钢坯集中到港的车辆无法快速接卸。为了提高装卸效率，增加钢坯装卸设备，笔者单位拟对一台长期闲置的集叉式集装箱正面吊进行改造，使之用来装卸钢坯。

为了有效利用港口装卸机械与船舶起货设备，提高装卸作业质量和效率[1]，笔者设计制作了一台集叉式正面吊的钢坯专用吊具，替换原集叉式正面吊的集装箱吊具，并在该吊具下部连接已有的钢坯夹具，这样该吊车就可以用于钢坯的装卸。

2 设备参数

起重机正常工作时允许一次起升的最大重力称为额定起重力[2-3]，该集叉式正面吊的额定起重力为400 kN。钢坯单件重力为300 kN，长为6～8 m，厚为250～300 mm。减掉已有的钢坯夹具约70 kN的自重，经过测算，设计制造的钢坯专用吊具自重要控制在30 kN之内。

集叉式正面吊如图1所示，所设计的连接钢坯专用吊具如图2所示。

图1 集叉式正面吊示意图

图2 钢坯专用吊具示意图

3 专用吊具设计计算

3.1 受力分析及强度计算

机械装备的制造是一个极其复杂的过程，一方面要深入总结和利用现有的丰富实践经验，另一方面还需要进行大量的科学试验和论证，并结合运用相关领域的最新科学成就，以解决制造过程中的各种问题，并优化整个生产系统[4]。改进过程将集叉式正面吊的两个货叉直接叉进钢坯专用吊具的叉口处，侧部的液压油缸连接到钢坯专用吊具侧端吊耳，调节吊具左右移动。下部吊耳通过轴连接到已有的钢坯夹具，吊耳间距由实际测量集叉式正面吊连接点确定。吊具接触集叉车上叉面处设计滚轮，方便调整吊具的方位。

强度是指材料或构件抵抗破坏的能力[5]，该集叉式正面吊钢坯吊具的长度方向（X向）和宽度方向（Y向）均受力，要求该集叉式正面吊钢坯专用吊具长度方向（X向）和宽度方向（Y向）之和满足强度载重要求。因此，对集叉式正面吊钢坯专用吊具的长度方向（X向）和宽度方向（Y向）分别进行受力分析和强度计算，来确定校核型材的截面规格。

通过实地测量，集叉式正面吊的两个货叉中心间距为2 149 mm，钢坯专用吊具的下部吊耳与钢坯夹具吊耳连接，其间距根据实际钢坯夹具的规格确定为1 300 mm。

钢坯单件宽为1.2～1.7 m，长为6～8 m，厚为0.25 m，自重不超过300 kN。设钢坯专用吊具自重为30 kN，下部连接已有的钢坯夹具自重为70 kN，取动载因数为1.8。钢坯专用吊具框架全部由Q235B钢焊接而成，材料要符合国家标准GB/T 700—1988《普通碳素结构钢技术条件》。

焊接梁通常多应用于载荷和跨度都较大的场合，其截面型式一般分为工字型和箱型。因为箱型梁的截面是封闭的，具有较好的抗扭曲能力和抗腐蚀能力，所以一般重型、大跨度桥式起重机的桥梁，都采用箱型梁结构[6]。本钢坯专用吊具主梁采用箱型梁结构。

Q235B钢的屈服强度σs=235 MPa，取安全因数n=2.5，则许用应力为：

长度方向（X向）受力分析如图3所示。

图3 钢坯专用吊具X向受力分析及截面图

吊具额定起重力G=400kN，取动载因数K=1.8。

吊具向下受力为：

经测量，集叉叉距为2 149 mm，钢坯夹具上吊耳间距为1 300 mm。

因A点受最大力矩，故吊具最大受弯距离为：

X向吊具所受最大弯矩为：

吊具主梁采用箱型结构，翼板厚u=4 cm,腹板厚m=2 cm，b=50 cm，h=35 cm，则截面抗弯惯性模量为:

宽度方向（Y向）受力分析如图4所示。

Y向间距L2=1 020 mm=102 cm，则Y向力矩为：

图4 钢坯专用吊具Y向受力分析和截面图

翼板厚 u=4 cm，腹板厚 m1=1 cm，m2=1.2 cm，b=270.2 cm，h=35 cm，则截面抗弯惯性模量为：

长度方向（X向）和宽度方向（Y向）抗弯应力之和为：

因此，σ≤[σ]，强度满足要求。

该吊具的外形尺寸为3 652 mm×1 203 mm×754 mm，实际自重为29 kN，整个吊具抗剪切受力主要由腹板承载。

最大剪切力为：

腹板面积为：

最大剪应力为：

许用剪应力为：

因此，τmax≤[τ］，结构强度满足要求。

根据以上计算，所设计的钢坯专用吊具选用Q235B钢满足强度要求。

设计的箱型梁有很多优点，概括如下。

（1）截面是封闭的，具有较好的抗扭曲能力和抗腐蚀能力。

（2）塑性和韧性好，适宜于承受振动和冲击载荷。

（3） 强度高，自重轻[7]。钢材容重与强度的比值一般小于混凝土和木材，因此箱型梁的质量轻。

（4）结构简单，便于机械化制造，精确度较高，安装方便，且是工程结构中工业化程度最高的一种结构。

（5）施工较快，可尽快发挥投资的经济效益。

3.2 稳定性设计

稳定性要求就是要求受压杆件不能丧失稳定[8]。该吊具由Q235B钢板焊接组成，在受力处增设筋板，增大吊具整体刚度，箱型吊具局部稳定性和整体稳定性满足要求。

3.3 底部滚轮设计计算

对转动轴的结构进行疲劳分析和优化设计，进而提高转动轴的安全性和可靠性[9]。该钢坯专用吊具的底部对称设计安装了8个圆柱滚轮,使吊具在集叉叉面上自由滚动，可调整吊具的方位。

总载荷P=720 kN，则每个滚轮承载载荷为：

每个滚轮两端由2个轴承承载，每个轴承承载载荷为：

轴的设计和其它零件的设计相似，包括结构设计和承载强度校核两方面的内容[10]。选用φ50 mm轴,轴心间距L=15.5 cm，轴受均布载荷。

轴弯曲截面模量为：

轴所受弯矩为：

则：

选择40Cr钢材质，取安全因数n=2.5，屈服强度σs=785 MPa，许用应力为：

因此σ≤[σ]，弯曲强度满足要求。

剪应力计算时计算轴两端受力。

剪力为：

受力面积为：

最大剪应力为：

许用剪应力为：

因此，τmax≤[τ］，剪切强度满足要求。

4 结束语

经过不断测算验证，该正面吊用钢坯专用吊具的强度、刚度、稳定性均满足使用要求。经过多年的运行使用，改造后的集叉式正面吊在装卸钢坯的作业中运行良好，钢坯专用吊具未出现变形、开焊、断裂等现象，始终保持完好。这项改造工程弥补了港内装卸钢坯专用机械不足的情况，为公司解决了生产上的难题，并节省了成本。

[1] 钟永祺，葛中雄，傅俊民，等.港口装卸工属具[M].北京：人民交通出版社，1991.

[2] 寇长青.工程机械基础[M].成都：西安交通大学出版社，2001.

[3] 张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[4] 柯明扬.机械制造工艺学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.

[5] 邹建奇，崔亚萍，田伟.材料力学[M].北京：北京邮电大学出版社，2013.

[6] 王云鹏.焊接结构生产[M].北京：机械工业出版社，2014.

[7]刘声扬，王汝恒.钢结构——原理与设计[M].2版.武汉：武汉理工大学出版社，2005.

[8] 陈长征，刘贵立，罗跃纲，等.工程力学（下册）[M].北京：科学出版社，2002.

[9] 曹翰清,龚天明,赵震.基于有限元分析的直驱风力发电机转动轴优化设计[J].机械制造,2016,54（ 1）：40-42.

[10]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].7版.北京：高等教育出版社，2001.

Retrofit design of V-shapecontainer reach stacker wasintroduced.Accordingtothereconstruction the original spreader on the reach stacker should be detached with installation of the new designed special spreader for billet which would connect theexistingbillet fixturefor loadingand unloadingoperationsof thebillet.Through calculation and verification of specifications,strength,stiffness and stability of the spreader,it is confirmed that thedesign can satisfy theoperatingrequirement.Thereconstructed V-shapereach stacker workswell in loadingand unloadingoperationsfor thebillet.

Reach Stacker；Loading and Unloading；Technical Innovation

TH123

A

1672-0555（2017）03-037-04

2017年7月

李俊哲（1983—），男，本科，工程师，主要从事港机改造、机械设计制造等工作

（编辑：启 德）