張玉芹

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海200135)

為了滿足船舶大型化發(fā)展的趨勢及裝船機(jī)少機(jī)頭布置的工藝要求，進(jìn)一步提高裝船效率，裝船機(jī)必須向大型化和高效化方向發(fā)展。大型化的裝船機(jī)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，外形越來越龐大，整機(jī)重量也越來越重，輪壓也隨之增大。這不僅對金屬結(jié)構(gòu)的要求越來越高，而且對碼頭的要求也越來越高，無形中增加了生產(chǎn)成本。

本文以振華港機(jī)為首鋼某碼頭設(shè)計(jì)制造的全新形式的6 000/6 600(t/h)“一字式”裝船機(jī)(又稱蹺蹺板式)為例，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，進(jìn)而分析了該機(jī)型與傳統(tǒng)機(jī)型相比較所具有的一些優(yōu)缺點(diǎn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

港機(jī)領(lǐng)域引入有限元計(jì)算已有多年。該方法應(yīng)用相當(dāng)廣泛且日趨標(biāo)準(zhǔn)化，特別是在設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)該嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)規(guī)范，為設(shè)計(jì)可靠性提供依據(jù)。本文主要運(yùn)用有限元法進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算依據(jù)歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范F.E.M標(biāo)準(zhǔn)。本次計(jì)算的裝船機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.1 模型建立

該裝船機(jī)計(jì)算模型采用有限元計(jì)算軟件ANSYS10.0。該裝船機(jī)主要結(jié)構(gòu)是由箱梁、工梁、管等桿件組成，因此在簡化建模的過程中選用了以下三種單元類型：

(1)梁單元Beam44。主要參數(shù)包括截面特性和材料屬性。在建模過程中梁單元用于描述主要的結(jié)構(gòu)件。

(2)管單元Pipe16。主要參數(shù)是截面幾何尺寸參數(shù)和材料屬性。在建模過程中管單元用于描述臂架上的斜撐桿。

(3)質(zhì)量單元Mass21。主要參數(shù)是單一實(shí)常數(shù)。在建模過程中主要用于描述集中質(zhì)量，如平衡重、司機(jī)室、改向滾筒等均簡化為集中質(zhì)量點(diǎn)體現(xiàn)在模型之中。

1—溜筒 2—伸縮臂架 3—外臂架 4—俯仰油缸 5—門框及臺車行走機(jī)構(gòu) 6—平衡重 7—回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

該裝船機(jī)的俯仰范圍為-12°～+21°。根據(jù)裝船機(jī)的俯仰角度不同，共建立四個模型：

(1)臂架水平放置，伸縮臂架處于最大外伸距，如圖2所示。

(2)臂架仰起21°，伸縮臂架處于最大外伸距。

(3)臂架下俯12°，伸縮臂架處于最大外伸距。

(4)臂架水平放置，伸縮臂架處于最小外伸距。此時外臂架與門架結(jié)構(gòu)通過管件錨定，臂架下另有支架支承，模型中將支架簡化為相應(yīng)的約束，如圖3所示。

結(jié)構(gòu)自重通過調(diào)整材料密度在計(jì)算模型中體現(xiàn)。

圖2 裝船機(jī)臂架水平放置，處于最大外伸距的工況模型Figure 2 Working condition model of shiploader when the arm support is longest and in level condition

圖3 裝船機(jī)臂架水平放置，處于最小外伸距的工況模型Figure 3 Working condition model of shiploader when the arm support is shortest and in level condition

1.2 載荷及載荷組合

1.2.1 裝船機(jī)載荷種類

在工作過程中裝船機(jī)主要承受自重載荷、物料載荷、風(fēng)載荷、慣性載荷、側(cè)向載荷等水平、垂直載荷及各種附加載荷。

(1)自重載荷DL

自重載荷即為裝船機(jī)整機(jī)自重。包括裝船機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、連續(xù)輸送機(jī)等的重力。

(2)物料載荷ML

散貨裝船機(jī)在工作過程中連續(xù)輸送物料，所以物料載荷通過合理的質(zhì)量分布以材料密度的形式在計(jì)算中體現(xiàn)。

(3)風(fēng)載荷WL

F.E.M中假定風(fēng)載荷沿起重機(jī)全高為常值，分為工作風(fēng)載荷WOL和非工作風(fēng)載荷WIL，它們都可分別沿小車方向和大車方向。

整機(jī)迎風(fēng)結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)載荷如下計(jì)算：

WL=A·q·Cf

式中A——有效迎風(fēng)面積；

q——風(fēng)壓，q=0.613Vs2，Vs為設(shè)計(jì)風(fēng)速；

Cf——沿風(fēng)向的風(fēng)力系數(shù)。

(4)慣性載荷KL

慣性載荷主要是在起制動的過程中，由加速度(減速度)引起的慣性力。分為大車慣性力和小車慣性力(對于裝船機(jī)為內(nèi)臂架慣性力)。慣性載荷按下式計(jì)算：

KL=-ma

式中m——大車或小車(內(nèi)臂架)的運(yùn)動質(zhì)量；

a——運(yùn)動部分對應(yīng)的加速度(減速度)。

其中，“-”表示慣性力的方向與加速度(減速度)的方向相反。

(5)側(cè)向載荷SKL

對于有軌運(yùn)行的起重機(jī)，需考慮由于軌道傾斜產(chǎn)生的側(cè)向載荷。推薦按下式計(jì)算起重機(jī)偏斜運(yùn)行水平力：

式中λ——側(cè)向力系數(shù)，取決于跨距與基距之比；

∑P——受側(cè)向力作用側(cè)的起重機(jī)走輪上的最大總輪壓。

(6)皮帶機(jī)張緊力BL

皮帶機(jī)的張緊力由皮帶輸送機(jī)的相關(guān)參數(shù)決定。

(7)地震載荷EL

地震載荷一般不予考慮，但是對于在地震區(qū)工作的起重機(jī)，如果有特殊的技術(shù)要求，可以考慮地震水平載荷。

(8)增大系數(shù)γc

考慮到由不完善的計(jì)算方法和無法預(yù)料的偶然因素導(dǎo)致的超出計(jì)算應(yīng)力的可能性，采用一個增大系數(shù)γc。系數(shù)γc取決于裝船機(jī)的工作組別。

1.2.2 裝船機(jī)載荷組合

(1)裝船機(jī)工作狀態(tài)

① 裝船機(jī)臂架水平放置，臂架仰起21°，臂架下俯12°，這三種工況內(nèi)臂架都可自由伸縮。

② 裝船機(jī)臂架水平放置，內(nèi)臂架收縮至最小外伸處，外臂架放置于擱架之上。

(2)裝船機(jī)工況組合

本裝船機(jī)工況分為無風(fēng)工作工況，有風(fēng)工作工況以及暴風(fēng)非工作工況和地震工況。各種工況下的載荷組合分別如下：

無風(fēng)工作工況的載荷組合：

γc×(DL+ML+KL+SKL+BL)

有風(fēng)工作工況的載荷組合：

γc×(DL+ML+KL+SKL+BL)+WOL

暴風(fēng)非工作工況的載荷組合：

DL+ML+KL+BL+WIL

地震工況的載荷組合：

γc×(DL+ML+KL+SKL+BL)+WOL+EL

1.3 有限元計(jì)算原理

在本文的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，ANSYS軟件采用能量方程式，通過瑞利-里茲法導(dǎo)出有限元的剛性矩，從而進(jìn)行求解。

(1)變分學(xué)

(1)

在彈性梁靜力分析的系統(tǒng)中，拉格朗日運(yùn)算L的動能V為零，而勢能U為應(yīng)變能S減去外力所做的功，則有：

(2)

將(2)代入(1)，整理后可得到

EI(v″)″-p=0

(3)

(2)瑞利-里茲法

首先假設(shè)一組符合于邊界條件的的試調(diào)函數(shù)，并將其代入能量方程式中，再對試解函數(shù)的各個系數(shù)作微分，令之為零，找出能量方程式的最小值，最后解得試解函數(shù)的各個系數(shù)。其中可以利用三角函數(shù)、冪函數(shù)等作為試解函數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 裝船機(jī)各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 裝船機(jī)參數(shù)表

2.2 工作工況應(yīng)力結(jié)果分析

對所有工作工況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，不同工況的最大應(yīng)力值也不同，但是最大應(yīng)力都在同一個位置，即配重承重梁處。應(yīng)力值較高的部位主要分布在外臂架鉸點(diǎn)處、俯仰油缸支撐點(diǎn)處以及內(nèi)臂架與支承輪接觸部位。圖4和圖5分別是有風(fēng)工況和暴風(fēng)工況的應(yīng)力分布圖。

圖4 有風(fēng)工況應(yīng)力分布Figure 4 Stress distribution of wind working condition

圖5 暴風(fēng)工況應(yīng)力分布Figure 5 Stress distribution of storm wind working condition

由圖可以發(fā)現(xiàn)，該裝船機(jī)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在臂架尾部平衡重支撐橫梁上。這是由該裝船機(jī)的結(jié)構(gòu)形式所決定的。因該裝船機(jī)采用“蹺蹺板”式結(jié)構(gòu)，所以尾部平衡重的質(zhì)量較大，使得平衡重

梁上出現(xiàn)了較高的應(yīng)力。但是該結(jié)構(gòu)主要承受固定載荷，動載效應(yīng)幾乎可以忽略，而且平衡重梁的應(yīng)力值仍然小于材料的允許值。另外，高應(yīng)力點(diǎn)主要出現(xiàn)在臂架鉸點(diǎn)處和外臂架的主結(jié)構(gòu)上，但是應(yīng)力值仍然在材料許用應(yīng)力的范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)大型有限元分析軟件ANSYS在港口機(jī)械分析計(jì)算方面的應(yīng)用越來越廣泛，它對裝船機(jī)金屬結(jié)構(gòu)分析計(jì)算具有極高的可靠性。大型裝船機(jī)的自重是影響其結(jié)構(gòu)安全性的重要因素。大型裝船機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何在各種工況下，既能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求，同時又能使起重機(jī)的重量盡可能的輕巧。

(2)蹺蹺板形式的裝船機(jī)結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)形式的裝船機(jī)，減少了上部的人字架結(jié)構(gòu)，減輕了鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，在很大程度上降低了整機(jī)重量，輪壓減小，對碼頭的要求相對降低，因此使得經(jīng)濟(jì)成本大大降低。

(3)裝船機(jī)的載荷比較復(fù)雜，因此所有的載荷情況必須全部考慮周全，尤其作用力很大但合力為零的載荷(諸如皮帶機(jī)張緊力等)。對于載荷組合，不同的載荷組合所產(chǎn)生的應(yīng)力大小也不盡相同。

[1] 潘鐘林譯.歐洲起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范.上海振華港口機(jī)械公司譯叢，1998年修訂版.

[2] ANSYS使用手冊.美國ANSYS股份有限公司，2000.

[3] 劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與實(shí)用教程.北京：科學(xué)出版社.

[4] 陳瑋璋.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu).北京：人民交通出版社.

[5] 李斌，王悅民.大型港口裝船機(jī)結(jié)構(gòu)載荷組合及計(jì)算.起重運(yùn)輸機(jī)械，2009，3.

[6] 張維建.煤炭碼頭裝卸設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].港口裝卸，2005，5.