集装箱侧面起重运输车作业稳定性计算

郭阳春

长沙中联恒通机械有限公司 湖南长沙 410131

1 前言

集装箱侧面起重运输车是一种具备双起重装置的专用运输车辆，可以从车辆侧面起重作业，完成对集装箱的装、卸、运输作业。整车外形如图1所示。

图1 整车外形图

集装箱侧面起重运输车主要工作原理及特点：从底盘变速器PTO口输出动力，驱动双联齿轮泵，产生压力油源，驱动起重机构液压缸，实现吊机的展收；双起重装置（前、后吊机）采用折臂式结构形式，同步展收；上、下臂液压缸联动，可实现吊载物垂直升降；起重作业过程中，垂直支腿不得离开地面。作业工况如图2、3所示。

图2 作业工况图

2 常规整体稳定性计算方法

集装箱侧面起重运输车简化后的作业工况俯视图如图4所示。

图3 作业工况俯视图

图4 简化俯视图

计算工况可分为：a.无风试验或运行；b.有风工作或运行[2]；c.侧坡试验或运行。

下面以无风试验或运行工况为例，介绍作业稳定性计算。展开水平支腿，伸出垂直支腿，支脚板在A、B、C、D四点将整车支起，所有轮胎离地，车架调整至水平状态。

图4中线段AB为倾覆线[1]，根据图4可得公式：

式中，G0为底盘质量，kg；G1为吊机臂架质量，kg；G2为额定起重量，kg；L1为底盘质心位置距离倾覆线AB的距离，mm；L2为前吊机质心位置距离倾覆线AB的距离，mm；L3为集装箱及货物质心位置距离倾覆线AB的距离，mm；Ms为稳定力矩，kg·mm；Mt为倾翻力矩，kg·mm。

式(5)为在无风试验工况下倾翻力矩计算公式，1.25为额定载荷加载系数，0.1为臂架端部等效载荷系数，本文后述所有倾翻力矩计算公式中，系数1.25及0.1的含义均与式(5)相同。结合某型号集装箱侧面起重运输车实际结构尺寸，代入数值G0=845 kg,G1=13 220 kg,G2=24 000 kg，L1=2 538 mm,L2=834 mm,L3=800 mm。计算得出Mt= 25 352 000 kg·mm,Ms=34 961 820 kg·mm。

根据稳定性系数公式[3]：

可见，稳定性系数大于1，符合稳定性标准要求[3]。

但是，该型号集装箱侧面起重运输车在实际工作中，却出现了一个支腿离地的现象。对于具有单起重装置的专用车辆（如汽车起重机），只要没有发生整机倾翻，允许一个支腿离地或松动[4]，稳定性为合格，没有同步要求，故整体稳定性计算方法适用于具有单起重装置的专用车辆作业稳定性计算；但对于具有双起重装置（前、后吊机）的集装箱侧面起重运输车，在起吊集装箱时，某一支腿离地，会出现前、后起重装置不同步现象，影响起重作业的稳定性及安全性。

3 原因分析

通常,集装箱侧面起重运输车底盘质心靠近前吊机中心线,为常量；集装箱载荷大小及质心位置为变量。当集装箱额定载荷G2不大，且集装箱载荷质心位置偏离靠前吊机中心线时(质心偏离集装箱中心误差±10%)，采用整体稳定性计算没有问题。

当集装箱额定载荷G2较高，且集装箱载荷质心位置偏离靠近后吊机中心线时，则有可能整体稳定性计算合格，但后吊机支腿出现抬腿、离地现象（如图4中支腿C离地），这样会导致前、后吊机起吊点运动不同步。

产生此问题的根本原因在于：底盘基本布置形式是动力系统、驾驶室、变速器等质量较大的部件布置在底盘的前部，底盘尾部仅有后桥、轮胎、悬架、备胎等部件，底盘的整备质量在长度方向分布不均衡，前重后轻。

4 前、后起重装置分别计算稳定性

根据静力的分解原理如图5所示。G0可分解为G01、G02；G2可 分解为G21、G22，列公式如下。

图5 分解原理图

式中，G01、G02为G0的分力；G21、G22为G2的分力 ；A1为G0距离前吊机中心线距离；A2为G0距离后吊机中心线距离；A3为G2距离前吊机中心线距离；A4为G2距离后吊机中心线距离；A为前、后吊机中心线距离。

4.1 前起重装置稳定性计算

根据力矩公式：

式中，Ms1为稳定力矩，kg·mm；Mt1为倾翻力矩，kg·mm。

代入数值：A=6 747 mm,A1=2 175 mm,A2=4 572 mm,A3=4048 mm,A4=2 699 mm,H=3 105 mm ,可计算出：G01=8 958 kg,G02= 4 262 kg,G21= 9 601 kg,G22= 14 399 kg；Ms1=23 440 967 kg·mm；Mt1=9 668 311 kg·mm。

可以求得，前吊机稳定系数为2.42[3]，大于1，符合稳定性标准要求。

4.2 后起重装置稳定性计算

根据力矩公式：

式中，Ms2为 稳定力矩，kg·mm；Mt2为倾翻力矩，kg·mm。

代入数值，得到Ms2= 11 521 686 kg·mm，Mt2=14 466 889 kg·mm。

计算可得，后起重装置稳定系数为0.8[3]，小于1，不符合稳定性标准要求。

由此可知，按前、后起重装置分别计算稳定性系数，可以计算出前吊机稳定性系数大于1，后吊机稳定性系数小于1，这与实际情况相符。

4.3 改进后重新计算后起重装置稳定性

改进设计的可能方案有：a. 增加后支腿跨距；b. 与底盘厂家沟通，调整整车质量分布，使底盘质心位置尽量靠近前后吊机的中间位置；c. 在底盘尾部，增加一定质量的配重。

考虑到底盘为批量定型产品，调整质心位置，难度太大；另外增加配重的方案会造成整车超重，与轻量化及节能降耗的设计理念不符，故采用增加后支腿跨距的改进方案：将后支腿支撑点B向外移200 mm，后起重装置支腿跨距H1=3 305 mm，调整后俯视图如图6所示。

图6 调整后俯视图

式中，L4为G22距 离后起重装置倾覆点B的距离，L4=600 mm；L5为G1距 离后起重装置倾覆点B的距离，L5=1 034 mm；L6为G02距 离后起重装置倾覆点B的距离，L6=2 738 mm；Ms3为 稳定力矩，kg·mm；Mt3为倾翻力矩，kg·mm。

代入数值，计算得到：Ms3=12 543 086 kg·mm，Mt3=10 850 166 kg·mm。

可以求得，后起重装置稳定系数=1.16[3]，大于1，符合稳定性标准要求。至此，前、后起重装置稳定性系数均大于1，无支腿离地现象出现，保证了前、后起重装置的同步性及安全性。

5 验证

现用支腿反力验算上述两种方法的适用性，支腿反力为负值，则表明该支腿离地。

5.1 后起重装置支腿跨距未增加时（图5所示）

根据支腿反力计算公式[5]：

式中，Na0为 支腿A的支腿反力；Nb0为支腿B的支腿反力；Nc0为 支腿C的支腿反力；Nd0为支腿D的支腿反力。

代入数值，经过计算得到：Na0= 17 347 kg，Nb0=24 033 kg，Nc0= ﹣927 kg，Nd0=4457 kg。

Nc0＜0，支腿C的支腿反力小于0，其余支腿反力均大于0，支腿C出现离地现象。

5.2 后起重装置支腿跨距增加后（图6所示）

根据支腿反力计算公式[5]：

式中，Na1为 支腿A的支腿反力；Nb1为支腿B的支腿反力；Nc1为 支腿C的支腿反力；Nd1为支腿D的支腿反力。

代入数值，经过计算得到：Na1= 17 347 kg，Nb1=22 578 kg，Nc1= 527 kg，Nd1=17 347 kg。

所有支腿反力均大于0，没有出现支腿离地现象。故采用增加后起重装置支腿跨距的办法，可以解决支腿离地，前、后起重装置不同步的问题。从理论上验证了前、后起重装置分别计算稳定性的方法适用于集装箱侧面起重运输车作业稳定性计算；整体稳定性计算方法不适用于集装箱侧面起重运输车作业稳定性计算。

6 结语

a. 类似上述计算方法，可以对有风工作或运行、侧坡试验或运行工况进行整车作业稳定性计算。不同之处在于有风工作或运行工况额定载荷加载系数为1.1，还要考虑最不利方向的风载[2]；侧坡试验或运行工况，主要考虑侧坡角度的影响，在此不再赘述；

b. 支腿跨距参数的修正，除了考虑各种工况下整车作业稳定性因素，还需要考虑到支腿收拢状态，最大外廓尺寸小于2 550 mm的限制[6]；

c. 按后支腿跨距增加改进方案实施，产品在后续定型试验中，整车作业稳定性均通过了测试，未出现支腿离地现象。

综上所述，采用前、后起重装置分别计算作业稳定性的方法，适用于集装箱侧面起重运输车作业稳定性的计算。