集装箱正面吊大臂优化设计

文/李旭东 陆进 张伟刚 钱一呈

随着国民经济持续发展，集装箱正面吊的作用越来越大，从近年来交通运输部公布的数据分析，10年来我国规模以上港口的集装箱吞吐总量以年均 12.7%的速度增长。集装箱正面吊的发展，给集装箱正面吊制造业提供了巨大的市场需求，对集装箱正面吊的性能也提出更高要求。而集装箱正面吊大臂的力学特性决定了该设备的适用范围和作业效率，因此优化正面吊大臂举升系统成为各生产企业关注的课题。

一、正面吊臂架结构

集装箱正面吊的大臂举升系统主要由伸缩臂、基本臂及伸缩油缸等组成，如图1。由于差动的需要，举升油缸都采用了活塞缸形式，伸缩油缸的液压油在活塞杆中部通过，克服了使用软管维修困难的缺陷。伸缩油缸的缸筒与伸缩臂通过螺栓固定在一起，活塞杆通过销轴与基本臂铰接在一起，可以吸收一部分冲击。由于基本臂的一端固定在车架上，伸缩油缸的伸缩就可以转化为大臂的伸缩。

二、正面吊臂架的有限元分析

集装箱正面吊是港口对集装箱进行装卸、堆码和水平运输的必备装卸搬运机械

图1：集装箱正面吊伸缩臂

图2：工况1应力云图

图3：工况2应力云图

图4：工况3应力云图

图5：工况4应力云图

表1：各工况最大应力值

目前对于集装箱正面吊吊臂的研究，大多只集中于有限元计算和臂架机构的简化计算，很少将二者有机结合。有限元计算往往只是计算静态的载荷，或是在载荷中加入动载系数进行计算，并不能反映出吊臂在工作过程中可能出现的最大载荷或恶劣载荷。考虑到性价比的因素，正面吊大臂主要结构的材料采用Q460钢板，它具有良好的抗疲劳性能和焊接性能。材料的屈服强度为：σs=400～460MPa，复合应力为：σ复=331MPa。大吨位起重机的吊臂通常采用大圆角矩形或矩形加半圆的截面，以充分发挥材料的承载性能，减重的同时增加安全系数。

正面吊大臂的有限元模拟主要以板壳单元进行计算，油缸简化为杆单元，滑块简化为体单元。模型建立后，使用前处理模块对其进行网格划分，网格划分的原则是规则图形采用映射网格，不规则图形采用自由网格。仿真参数的设置为：弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85g/cm3。根据正面吊的载荷分布工况，分别对正面吊在四种工况下进行受力分析（如图2、3、4、5。），各工况最大应力值如表1。以最危险的工况为基准校核结构的稳定性。

从静力学的分析可以得出，大臂的结构设计基本满足工况的使用，按照有限元模拟基本臂，较大应力在上翼板与滑块接触区域附近及俯仰油缸固定段下翼板处（工况2、工况4）。进行大臂优化设计，对该两处位置基本臂下翼板厚度增加到20mm进行补强，满足其在最恶劣条件下使用的安全性。

三、小结

集装箱正面吊大臂是起重机的工作装置，直接影响起重性能。本文在对四种工况下集装箱正面吊大臂举升机构的有限元模拟的基础上，进行人工经验优化，对应力较大的部位进行加厚板材处理，对应力较小区域进行适当减小厚度以减小大臂的自重，使得RS-45型正面吊在相同的起重量情况下，能以优化最小的吊臂自重，获得最优的性能。