船用克令吊的失效模式分析

张 晨 严竞博 邹华敏

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

船用克令吊是安装于船舶及浮式平台上的一种轻型起重机，因其具有结构紧凑、占用面积小及功能完善的特点，被广泛应用于船上的货物吊装和人员运输。近年来，随着海上风电及石油钻井行业快速发展，使用克令吊起吊运输已经成为船舶上下人员的一种主要方式[1]，因此克令吊安全性能的重要性不言而喻。各种起重机设计规范中，也对人员起吊的安全问题作了特别要求。以我司设计制造的80 t船用克令吊为分析对象，简述其结构和零部件布置，分析计算其在失效模式下的载荷情况，保障了其在使用过程中的安全性。

2 克令吊的基本布置

克令吊按驱动方式分为电力驱动和电液驱动，该80 t克令吊为电液驱动，其主要结构部件为：臂架、人字架、回转底盘、回转轴承和圆筒体基座等。在回转底盘上布置了司机室和液压站房，作为人员安全操控克令吊的场所。80 t克令吊的基本布置见图1。

图1 克令吊基本布置图

3 失效模式的计算

失效模式分析的目的，是验证克令吊的司机室和液压站在吊机发生严重超载损坏的情况下，不是首先出现损坏的主要零部件，能保证受困人员有足够的时间等待救援，对人员起到最大限度保护作用。

3.1 计算方法

克令吊的失效模式分析，首先计算其主要结构件和关键零部件的失效载荷，其次对各失效载荷进行比较，在任何情况下，支撑人员操作台部件的失效载荷与首先失效的零部件失效载荷之比不得小于1.3。

以80 t克令吊为分析对象，失效载荷的计算可分为结构件和零部件的失效载荷计算两部分。主要结构件选取臂架、人字架、回转底盘和圆筒体，主要零部件选取主钩钢丝绳和变幅钢丝绳。对80 t克令吊在各个工作幅度(6.6 m～35 m)工况下进行失效载荷计算。分析失效模式时，克令吊的受载情况等同于吊机在船外吊载工况下的受载。

3.2 结构件的失效载荷计算

分析计算克令吊的失效载荷分为强度计算和整体稳定性计算，并对两部分的计算结果进行比较。

3.2.1 强度计算

克令吊的基本受力情况分析。失效分析时克令吊处于船外吊载工况，受到以下几部分载荷的作用：一是吊钩额定载荷SWL；二是外部载荷，包括自重载荷G、风载荷P、吊机倾斜产生的载荷W1、加速度冲击载荷W2等。在这些外力的作用下，吊机的各个结构件会产生轴向应力和弯曲应力。其中，由吊钩额定载荷SWL引起的轴向应力和弯曲应力分别为fa2和fb2，由外部载荷引起的轴向应力和弯曲应力分别为fa1和fb1。吊钩额定载荷SWL会随着工作幅度的变化而变化，从而造成每个幅度工况下的结构件应力都不一样，导致克令吊失效的载荷是可变的吊钩载荷。根据规范中的最低屈服应力法，确定如下公式：

(fa1+fb1)+n×(fa2+fb2)=fy

(1)

式中，n为确定失效载荷的安全系数；fy为结构件材料的屈服应力。

由式(1)得：

(2)

对于钢结构的材料，其屈服应力fy是一个恒定值，而式中的其他应力，可以对克令吊运用Ansys建模，按工况加载外力进行程序运算后得出，代入公式(2)，克令吊各结构件的失效载荷安全系数n均可求出。最后可通过公式P=n×SWL得到在强度计算下的各结构件失效载荷P1。

3.2.2 整体稳定性计算

对于同时承受轴向力和弯曲应力的结构件，其整体稳定性可按以下公式计算[2]：

(3)

上式中包含了轴向力以及x和y两个方向的弯曲应力的因素。对于失效模式下的稳定性计算，可把两个方向的弯曲应力合成，得出合成弯曲应力，同时为了计算在失效临界下的屈曲应力，可把公式(3)简化成以下公式：

(4)

式中，Fa为许用轴向应力；Fb为许用弯曲应力；Fe为欧拉应力；Cm为折算系数；n为确定失效载荷的安全系数。

公式(4)可通过等式转换，演变成一个关于n的一元二次方程：

An2+Bn+C=0

(5)

运用求根公式得：

(6)

式中A、B、C为：

(7)

B=2Fb·fa1·fa2-Fe·Fb·fa2

-Cm·Fa·Fe·fb2-Fa·Fb·Fa2

(8)

-Fe·Fb·fa1-Cm·Fa·Fe·fb1

-Fa·Fb·fa1

(9)

A、B、C中的所有变量均可通过程序计算或查表得出，求出A、B、C的值，代入公式(6)，可求出安全系数n，最后可通过公式P=n×SWL得到各结构件失效载荷P2。

将各结构件强度和稳定性的失效载荷P1和P2进行对比，取其小值，即为使各结构件开始失效的失效载荷P。

3.3 零部件的失效载荷计算

钢丝绳是克令吊重要的零部件[3]，吊机的主要动作，如吊钩的升降和臂架的俯仰等都要由有足够强度的钢丝绳提供保障。因此，把主钩钢丝绳和变幅钢丝绳作为分析对象，研究其在失效时的载荷情况，作为计算整机失效载荷的一部分。

钢丝绳的失效载荷，取决于钢丝绳的破断拉力T和钢丝绳缠绕系统的缠绕倍率m。破断拉力可在各钢丝绳厂家样本上查得，钢丝绳倍率指支撑吊钩或臂架进行动作的缠绕系统的钢丝绳数。钢丝绳的失效载荷Q，在不考虑缠绕系统的效率时，按以下公式计算：

Q=m×T

(10)

80 t克令吊的主钩钢丝绳直径为34 mm，破断拉力为108.2 t,主钩缠绕系统倍率为4；变幅钢丝绳直径为34 mm，破断拉力为97.7 t，变幅缠绕系统倍率为8。因此，钢丝绳的失效载荷可以按公式(10)求出。

3.4 计算结果

整理80 t克令吊各结构件和钢丝绳零部件的失效载荷计算结果，汇总成表1。

表1 各幅度工况下部件失效载荷

表中，Ⅲ和Ⅳ表示承载人员的部件(回转底盘和圆筒体)，在14 m工作幅度下，其与吊机其他部件的失效载荷之比为最小值1.306，即满足最小1.3倍的要求，故80 t吊机在任何工况下的人员操作安全性，都满足要求。反之，如果计算结果有小于1.3的情况出现，就需要对承载人员的吊机部件作局部加强，并重新计算，直至满足要求，方可完成克令吊失效模式的分析计算。最终的克令吊失效模式分析结果，以载荷曲线表的形式呈现，可以比较直观地看出各部件的失效载荷情况(见图2)。

图2 失效载荷曲线表

4 结语

船用克令吊的使用在海洋工程领域越来越广泛，对于其安全性，尤其是关乎人员安全方面的要求也逐渐提高。因此，克令吊的设计，不仅仅需要考虑结构布局，也要把安全性考虑在内。对该克令吊的失效模式分析，能为安全性分析提供理论依据，优化吊机性能，为今后该类型及其他相似类型的吊机的设计提供借鉴和参考。