祖海英，趙偉民，韓佳軒

(1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

隨著全球集裝箱運輸持續(xù)快速增長，碼頭或中轉站集裝箱堆場容量的需求也相應增大.集裝箱正面吊廣泛應用于集裝箱貨場、中轉站和碼頭等物流裝卸場所［1］，按其吊臂的結構形式分為直臂和曲臂，其中直臂正面吊具有簡單、截面小、自重輕等優(yōu)點，但是直臂不能跨箱作業(yè)，致使工作效率較低;而曲臂正面吊不僅可以跨箱作業(yè)并能直接吊運船上的集裝箱，效率高且具有良好發(fā)展前景.本文通過借鑒利勃海爾曲臂正面吊的技術參數(shù)，建立分析模型并進行相關的分析研究.

1 曲臂正面吊的作業(yè)分析

曲臂正面吊如圖1所示:由底盤、變幅油缸、基本臂、伸縮臂、集裝箱吊具、伸縮油缸、擺動油缸等組成.

圖1 整體分析模型Fig.1 Model of analysis while-machine

曲臂正面吊的吊臂為兩節(jié)液壓伸縮臂，可以實現(xiàn)無級伸縮和帶載伸縮［2］.曲臂正面吊可以實現(xiàn)跨箱作業(yè)，它可以在第1 排的4 層箱不移動的情況下，直接將第2 排的第4 層箱取走;在不移動第1、2排的3 層箱的情況下，直接將第3 排第3 層箱取走;這樣就大大減少了移動的次數(shù)并提高效率.工作示意圖如圖2所示，a，b，c，d 表示其跨箱作業(yè)的過程.集裝箱正面吊在換用不同吊具時，還可實現(xiàn)整體的吊裝.吊輕箱時，還可縱向吊箱.集裝箱正面吊的吊具可±180°旋轉，橫移量為±200 mm，裝卸對箱時只需操縱曲臂和吊具，而不用移動整車，生產(chǎn)率可達38 標準箱·h－1.

圖2 跨箱作業(yè)示意圖Fig.2 Sketch map for span working

2 曲臂正面吊的工況運動分析［3］

曲臂正面吊有如下三種工況:

(1)吊第1 排第5 層，箱重為45 t，吊臂處于最大載荷于工作最高點.

(2)吊第2 排第4 層，跨箱作業(yè)，箱重為38 t，吊臂處于力矩最大點.

(3)吊第3 排第3 層，跨箱作業(yè)，箱重為30 t，吊臂處于最遠工作點.

以上三種工況是曲臂正面吊在工作中可能產(chǎn)生危險的情況，因此下面將對這三種工況進行運動學研究.

運動分析時曲臂正面吊的運動副設置:以基本臂的后鉸耳與車體連接處的運動副為旋轉副，以變幅油缸與基本臂上鉸耳連接處的運動副為旋轉副，以變幅油缸缸筒與變幅油缸杠桿的運動副為同心移動副，以變幅油缸與車體前鉸耳連接處的運動副為旋轉副，以基本臂與伸縮臂的4 個接觸面的運動副為移動副，以吊具與伸縮臂下鉸耳連接處為旋轉副.

吊臂的運動方式:變幅與伸縮同步進行，設變幅與伸縮油缸的運動為勻速運動.吊臂將集裝箱從地面吊到第1 排第5 層的位置，然后將其放到第4層箱上面.

仿真時間設置為120 s，工況1 的計算結果如圖3所示.基本臂的后鉸耳與車體連接處(A點)反作用力曲線如圖3a 所示，油缸與基本臂上鉸耳連接處(B點)反作用力曲線如圖3b 所示，吊具與伸縮臂鉸耳連接處(C點)作用力曲線如圖3c 所示.

從圖3曲線可知，當?shù)醣墼谶\動初始位置時，A，B，C點處的反作用力幅值最大，因為此時吊重在x方向距離A點最遠，產(chǎn)生的力矩也最大，B點處的反作用力也相應最大.采用同樣的方法對工況2，3進行運動分析，得到三種工況下A，B，C三點的對比，見表1.從表1中可看出工況1 為最危險工況.

圖3 鉸點 A，B，C 的作用力Fig.3 Force of hinge A，B，C

3 正面吊曲臂的有限元分析

曲臂的支承情況:水平銷軸將下鉸耳與底盤連接，在變幅平面內(nèi)自由轉動，在基本臂前半部下面支承變幅油缸.該單變幅液壓缸位于吊臂中線，支承處可視作處于圓柱體上的約束，使其在橫向對吊臂不施加約束.吊臂由4 塊鋼板焊接組成，上下各一個彎曲翼板，左右各一個矩形截面的圓弧腹板，其翼板較腹板厚.吊臂的伸縮機構采用一級伸縮缸［4］.

表1 結果對比表Tab1 Contrust of simulation results

3.1 工況1下曲臂結構有限元分析

考慮吊臂的自重，為確保其重心位置的準確性，需以吊臂的實際工況位置進行建模，由于基本臂及伸縮臂結構復雜且剛性很大，故將其簡化成2個實體建模，基本臂與伸縮臂選材均為40 MnVB.

取運動學分析中工況1 下的最大反作用力的載荷來計算.在基本臂尾部與車體鉸接處，約束3個方向平行自由度(Ux，Uy，Uz)和兩個方向的轉動自由度(Ry，Rz)，釋放繞銷軸中心回轉的轉動自由度(Rx).變幅液壓缸與基本臂相聯(lián)接的鉸點處作同樣處理.兩節(jié)臂之間搭接處理為面接觸，只釋放其軸向轉動自由度.

根據(jù)《起重機設計手冊》，臂允許的位移變形量為

由式(1)得Zl≤0.306 m，L為臂長，L=17.5 m.

位移最大變形量Umax=0.262 m，在允許范圍內(nèi);最大應力發(fā)生在伸縮臂的末端與基本臂連接的變截面處，應力值達到 634 MPa.由于基本臂前端的面積較小，受到來自伸縮臂下翼板的壓力，產(chǎn)生了應力集中;在變截面處截面尺寸突然變小，造成該處的應力增大;基本臂上翼板處的臂為薄板，所以產(chǎn)生較大的應力.材料許用屈服強度為

式中:材料的屈服強度為σs=800 MPa，允許屈服強度 [ σs]=634 MPa，安全系數(shù)取n=1.5.

通過對上述有限元模型進行分析，如圖4所示，得到在工況1 下的位移最大變形量發(fā)生在吊臂頭部，位移量為0.262 m，小于允許的最大位移變形量0.306 m.最大應力如圖5所示，發(fā)生在伸縮臂末端與基本臂連接的變截面處，最大當量應力值達到634 MPa，大于許用屈服強度533 MPa，因此設計不合理.

圖4 合力位移云圖Fig.4 Displacement cloud picture

圖5 截面應力云圖Fig.5 Stress of section cloud picture

3.2 工況2下曲臂結構有限元分析

加載為工況2 下的最大反作用力時的載荷，得到在工況2 下的位移最大變形量位于吊臂頭部，值為0.295 m，小于允許的位移變形量0.345 m.最大當量應力發(fā)生在伸縮臂末端與基本臂連接處，其值為446 MPa，小于許用屈服強度 533 MPa，設計合理.

3.3 工況3下曲臂結構有限元分析

加載為工況3 下的最大反作用力時的載荷，得到在工況3 下的位移最大變形量位于吊臂頭部，值為0.280 m，小于允許的位移變形量0.349 m.最大當量應力發(fā)生在伸縮臂末端與基本臂連接處，其值為418 MPa，小于許用屈服強度533 MPa，設計合理.

4 正面吊曲臂的人工優(yōu)化

4.1 曲臂的形狀參數(shù)優(yōu)化

通過對以上曲臂的有限元分析結果顯示:曲臂高應力區(qū)發(fā)生在基本臂下翼板滑塊處、伸縮臂上翼板滑塊處、伸縮臂下末端與基本臂的接觸截面突變處、基本臂截面突變處以下的上下翼板至變幅油缸鉸點之間的區(qū)域.相對應力較小的區(qū)域為:伸縮臂的上下翼板及左右腹板.對其進行直接人工優(yōu)化:對于結構強度不足處進行結構加強;對于結構強度較高的區(qū)域考慮適當減小其厚度［5］.

4.2 曲臂優(yōu)化前后的有限元分析

通過對最危險的工況1 進行有限元分析，施加載荷取自運動學分析中的結果.通過有限元進行計算，得到在工況1 下的位移最大變形量位于吊臂頭部，為 0.280 m，在允許范圍 0.306 m 內(nèi).應力計算結果與優(yōu)化前對比如表2所示，最大應力發(fā)生在基本臂油缸鉸耳的4 個側板與基本臂下翼板連接處，其值為455 MPa，小于許用屈服強度533 MPa，達到優(yōu)化目的.

表2 吊臂優(yōu)化對比表Tab.2 Contrast table of the lift arm optimiztion

5 結論

本文分析設計了45 t 集裝箱曲臂正面吊，對曲臂正面吊進行了運動學分析和有限元分析，同時對其結構進行了人工優(yōu)化分析.優(yōu)化后，最大應力減少了28.2%，最大位移增加了6.87%，最大應變減少了25.7%，整個吊臂質(zhì)量減少了12.3%.且優(yōu)化后最大應力與最大位移均在許用應力與許用位移范圍之內(nèi).

［1］范恒滿.集裝箱正面吊運起重機試驗體系研究［J］.起重運輸機械，2012(7):89－91.FAN Hengman.Research on the test system of container reach stacker［J］.Lifting the Transport Machinery，2012(7):89－ 91.

［2］張奇生，王益群，任光合.某集裝箱正面吊大臂舉升關鍵技術研究［D］.秦皇島:燕山大學，2012.ZHANG Qisheng，WANG Yiqun，REN Guanghe.The key technology research for a researcher big arm lifting［D］.Qinhuangdao:Yanshan University，2012.

［3］ANANTHASURESH G K.Design of fully rotatable，roller-crankdriven，cam mechanisms for arbitrary motion specifications［J］.Mechanism and Machine Theory，2001，36:448－452.

［4］周齊齊，袁正，常亮.重箱吊具力學性能有限元分析與研究［J］.機械工程師，2011(5):76－78.ZHOU Qiqi，YUAN Zheng，CHANG Liang.Analysis and research on heavy box sling mechanical properties of finite element［J］.Mechanical Engineer，2011(5):76－ 78.

［5］WU Jiajang.Finite element modelling and experimental modal testing of a three dimensional framework ［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2004，46(8):1245－1266.