王碧濤 曾 鵬 羅振國 林偉華 王光輝

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)是用于對集裝箱船舶上的集裝箱進(jìn)行裝卸的設(shè)備。岸橋多布置在沿?；蜓亟a頭,時(shí)常會遇到暴風(fēng)或臺風(fēng)的襲擊,近年來臺風(fēng)、颶風(fēng)在全球范圍的多發(fā),迫使許多國家提升了港口起重機(jī)的防風(fēng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)[1]。常規(guī)岸橋大梁的截面一般為梯形或矩形,常規(guī)軌道吊主梁的截面一般為矩形,對于環(huán)境風(fēng)速較高的地區(qū),或者碼頭輪壓要求比較嚴(yán)格的項(xiàng)目,為滿足暴風(fēng)工況下輪壓穩(wěn)定性的要求和結(jié)構(gòu)的安全性,常常需要增加大梁板厚,這樣既增加了整機(jī)重量,又提高了制造成本。在對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的過程中,利用圓形截面風(fēng)力系數(shù)較小的特點(diǎn),創(chuàng)新設(shè)計(jì)了半圓形大梁岸橋,并應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)要求和技術(shù)參數(shù)

國內(nèi)首臺套半圓形大梁岸橋,其主要參數(shù)為:前伸距30 m,后伸距12 m,吊具下額定起重量40 t,軌距16 m,軌上起升高度22 m,前大梁最大仰角55°。該岸橋?qū)儆谳p型產(chǎn)品,無前大梁俯仰錨定設(shè)計(jì),非工作狀態(tài)前大梁水平工況,需考慮設(shè)計(jì)風(fēng)速70 m/s,要求非常嚴(yán)格。同時(shí)由于用戶碼頭海側(cè)許用輪壓較小,用戶對整機(jī)重量控制要求嚴(yán)格,因此在滿足基本設(shè)計(jì)要求的同時(shí)還需低風(fēng)阻、輕量化設(shè)計(jì)。半圓形大梁直徑3.7 m,其整機(jī)結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 半圓形大梁岸橋結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 半圓形主梁截面設(shè)計(jì)

半圓形主梁主截面由9個(gè)零件組成,面板與兩側(cè)的承軌梁面板焊接在一起,在面板內(nèi)側(cè)根據(jù)角鋼設(shè)計(jì)間距布置貫穿縱向角鋼。兩側(cè)承軌梁腹板、側(cè)面圓弧板與底面折彎板焊接在一起,在圓弧板內(nèi)側(cè)根據(jù)角鋼設(shè)計(jì)間距布置縱向角鋼,在底面圓弧板中心位置焊接貫穿U型加強(qiáng)筋。橫向隔板焊接到圓弧板上,最后面板與圓弧板焊接在一起,形成一個(gè)半圓結(jié)構(gòu)形狀,小車軌道布置在軌道面板上(見圖2)。

1.小車軌道 2.承軌梁面板 3.面板 4.承軌梁腹板 5.側(cè)面圓弧板 6.橫向隔板 7.縱向角鋼 8.U型加強(qiáng)筋 9.底面折彎板圖2 半圓形主梁截面設(shè)計(jì)

通過對各類工況下的大梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞、剛度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析,確定其輪廓尺寸、承軌梁設(shè)計(jì)方案、角鋼和隔板布置等。半圓形截面上寬下窄,T形承軌梁與上翼緣板、圓弧腹板分別拼接,整體形心偏上,造成上下兩端的彎曲應(yīng)力幅值相差偏大。通過在截面圓弧底部布置自制U型加強(qiáng)筋,增大截面抗彎慣性矩,可降低形心位置,有效地控制大梁自重并提升截面承載性能,同時(shí)可解決圓弧板局部穩(wěn)定性的問題。

2.3 半圓形大梁風(fēng)力系數(shù)研究

對半圓形截面構(gòu)件進(jìn)行CFD(Computational fluid dynamics,流體動力學(xué))計(jì)算,并與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證該CFD仿真分析方法(模型處理、流場網(wǎng)格劃分、湍流求解)的合理性。

2.3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范暫無半圓截面類型構(gòu)件風(fēng)力系數(shù)的相關(guān)說明,通過風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)艿贸鲋髁簻?zhǔn)確的風(fēng)力系數(shù)。為確定半圓形大梁的風(fēng)力系數(shù),制作半圓形前大梁模型(比例1∶25),單獨(dú)進(jìn)行前大梁風(fēng)力測試工作。該試驗(yàn)在均勻風(fēng)場環(huán)境中進(jìn)行,測試前大梁水平、45°、80°這3種狀態(tài),獲取前大梁體軸系的6個(gè)力分量的氣動力系數(shù)Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。

參照風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,通過與常規(guī)雙箱、單箱前大梁的風(fēng)載荷進(jìn)行對比(見表1),可得出在同等參數(shù)條件下,半圓形大梁在大車方向的風(fēng)載荷更小,優(yōu)勢明顯。

表1 不同形式大梁風(fēng)載荷對比

2.3.2 CFD數(shù)值模擬分析

CFD數(shù)值模擬法是風(fēng)工程研究的常用手段之一,它是以計(jì)算流體動力學(xué)為核心,運(yùn)用一定的技術(shù)來求解流體力學(xué)中各種復(fù)雜問題的離散化數(shù)值解的計(jì)算方法。利用軟件對新型半圓形岸橋主梁的風(fēng)力系數(shù)進(jìn)行模擬分析。模擬得出的風(fēng)力系數(shù)變化趨勢與風(fēng)洞試驗(yàn)基本一致。在迎風(fēng)角度為90°時(shí),數(shù)值模擬出的大車運(yùn)行方向(Y向)風(fēng)力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果誤差約2%[2](見圖3)。

圖3 風(fēng)力系數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果對比

參照數(shù)據(jù)分析對比結(jié)果來看,CFD計(jì)算周期短、結(jié)果可信度高,可為后續(xù)半圓形大梁項(xiàng)目的風(fēng)力系數(shù)取值提供理論設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

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2.4 關(guān)鍵聯(lián)接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.4.1 全新鉸點(diǎn)布置

岸橋結(jié)構(gòu)的前、后大梁采用全新單鉸軸系統(tǒng)聯(lián)接,配用“雙Z型”承軌梁接頭形式,以滿足俯仰運(yùn)行需求。同時(shí)還需考慮承軌梁懸臂段的承載能力,運(yùn)用三維動態(tài)仿真和有限元分析,將鉸點(diǎn)定位、接口尺寸設(shè)定等都進(jìn)行核算,確保小車順暢運(yùn)行(見圖4)。

圖4 全新鉸點(diǎn)布置

2.4.2 軌道接頭L形設(shè)計(jì)

在岸橋結(jié)構(gòu)的前、后大梁軌道接頭位置,同樣需考慮俯仰機(jī)構(gòu)運(yùn)行和結(jié)構(gòu)承載需求,后大梁軌道斜切135°,前大梁軌道斜切45°。軌道上表面接頭作圓弧處理,減少小車車輪過接頭的沖擊力。軌道接頭左右方向用L形連接方式連接,使軌道受力更加優(yōu)化(見圖5)。

1.后大梁上 2.重疊段 3.前大梁上 4.承軌梁圖5 軌道接頭L形設(shè)計(jì)

2.4.3 嵌入式拉桿耳板

岸橋結(jié)構(gòu)的前、后拉桿銷軸聯(lián)接處,在小車帶載運(yùn)行過程中,會對拉桿產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力,因此拉桿節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)及與大梁本體的聯(lián)接尤為重要。合理設(shè)計(jì)連接處節(jié)點(diǎn)板的輪廓、局部倒圓過渡、端頭細(xì)節(jié)處理、大梁內(nèi)部隔板間距和挖孔尺寸等,通過計(jì)算分析,確保其承載性能完全滿足許用要求,并有效提升焊接接頭處的疲勞可靠性。

2.4.4 鉸接式支撐橫梁

因半圓形大梁的小車軌道布置在大梁截面上方,其機(jī)器房底架的布置高度因小車運(yùn)行空間要求需整體抬高,對支撐橫梁提出更高的承載需求。為同時(shí)滿足3個(gè)方向的載荷傳遞和支撐,設(shè)計(jì)兩端鉸接、側(cè)向抗剪的形式,各個(gè)方向載荷通過不同的路徑傳遞到大梁的本體結(jié)構(gòu)上,受力更明確,結(jié)構(gòu)對筋更簡單直接(見圖6)。

圖6 鉸接式支撐橫梁

2.4.5 飛翼式端部橫梁

由于岸橋結(jié)構(gòu)的前大梁頭部橫梁、后大梁尾部橫梁上部空間需布置起升機(jī)構(gòu),無法將橫梁布置在本體結(jié)構(gòu)的上面,因此此處采用飛翼形式,直接生根于圓弧腹板,在箱體內(nèi)部做好局部加強(qiáng)支撐,外部對接處平滑過渡成型,結(jié)構(gòu)形式簡單可靠,制造簡單方便(見圖7)。

圖7 飛翼式端部橫梁

2.5 小車總成設(shè)計(jì)

采用倒置“π”型車架結(jié)構(gòu)形式,通過有限元計(jì)算對小車架的聯(lián)系橫梁和支腿截面形式進(jìn)行對比分析(見圖8),綜合考慮強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、焊接工藝等各方面的評價(jià)因素得出最優(yōu)解。同時(shí)配套單側(cè)內(nèi)外軌水平輪導(dǎo)向技術(shù),可有效解決軌道直線度、平整度、高低差、軌距難以控制的問題。車架整體下沉,驅(qū)動機(jī)構(gòu)和起升滑輪等均布置在大梁上方,可提高制造和安裝的精度,方便裝配、測量、調(diào)整和日常檢修維護(hù),可降低碼頭對小車的維護(hù)成本。

圖8 小車架結(jié)構(gòu)有限元分析

2.6 制造工藝設(shè)計(jì)

試制探索半圓形大梁成型技術(shù)方案,從方案實(shí)施、危險(xiǎn)來源分析、成本預(yù)算控制和施工的難易程度等環(huán)節(jié)著手,對圓弧腹板的成型方式及焊接順序、焊接式軌道的安裝工序及焊接質(zhì)量控制、圓弧大梁成型后整體尺寸的控制、大梁轉(zhuǎn)運(yùn)及拼裝、前后大梁對接后的承軌梁面加工和鉸點(diǎn)軸孔劃線等多方面進(jìn)行工藝設(shè)計(jì),不斷優(yōu)化半圓形主梁制造的工藝流程,確保項(xiàng)目順利總裝。

2.7 配套件選型優(yōu)化

考慮到新型半圓形岸橋機(jī)房空間受限和減重需求,采用驅(qū)動和輔助變壓器合二為一的雙繞組變壓器的方案,可滿足項(xiàng)目輕型化和節(jié)約空間的要求,節(jié)省高壓柜和變壓器的費(fèi)用成本。

相較于常規(guī)雙箱梁岸橋,新型岸橋結(jié)構(gòu)的前、后大梁在大車方向工作風(fēng)載荷減少34%,暴風(fēng)載荷減少32%,進(jìn)而可降低工作輪壓3%、暴風(fēng)輪壓6%。相應(yīng)地,大車總功率降低10%,俯仰總功率降低10%,大車防風(fēng)裝置包括夾輪器、系固、錨定等設(shè)備選型分別降低20%、10%、20%。

2.8 整機(jī)剛度性能要求

岸橋在使用過程中零件及構(gòu)件不應(yīng)產(chǎn)生過大的變形,尤其是前、后大梁結(jié)構(gòu),否則也會影響正常工作,因此還必須要求在載荷作用下構(gòu)件所產(chǎn)生的變形應(yīng)在允許的范圍內(nèi),即應(yīng)有足夠的剛度。若設(shè)計(jì)不當(dāng),對鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命、小車運(yùn)行狀態(tài)和整機(jī)操作舒適性和經(jīng)濟(jì)性都有較大影響。為了保證司機(jī)的操作便利性,需適當(dāng)加強(qiáng)門框下部結(jié)構(gòu)的截面尺寸和板厚,提高整機(jī)在小車方向的剛度性能。

3 結(jié)語

全新半圓形大梁岸橋,具備風(fēng)阻小、重量輕、能耗低的特點(diǎn),可以降低設(shè)備的全生命周期使用成本,提高碼頭投資的綜合收益,增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力。根據(jù)設(shè)備的起吊額定載荷和防風(fēng)性能需求不同,半圓形大梁的截面設(shè)計(jì)也會有相應(yīng)的變化,后續(xù)將進(jìn)一步拓展該機(jī)型的系列,其適用范圍的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 半圓形大梁岸橋適用范圍

對半圓形大梁岸橋研發(fā)過程的一些關(guān)鍵技術(shù)和重難點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié),可為后續(xù)不同參數(shù)的半圓形大梁岸橋的設(shè)計(jì)制造提供參考。