跷跷板式大型装船机结构强度分析

张玉芹

(上海海事大学物流工程学院，上海200135)

为了满足船舶大型化发展的趋势及装船机少机头布置的工艺要求，进一步提高装船效率，装船机必须向大型化和高效化方向发展。大型化的装船机结构越来越复杂，外形越来越庞大，整机重量也越来越重，轮压也随之增大。这不仅对金属结构的要求越来越高，而且对码头的要求也越来越高，无形中增加了生产成本。

本文以振华港机为首钢某码头设计制造的全新形式的6 000/6 600(t/h)“一字式”装船机(又称跷跷板式)为例，运用有限元方法进行结构强度计算，进而分析了该机型与传统机型相比较所具有的一些优缺点。

1 整机结构有限元计算

港机领域引入有限元计算已有多年。该方法应用相当广泛且日趋标准化，特别是在设计阶段的结构计算应该严格依照设计规范，为设计可靠性提供依据。本文主要运用有限元法进行了强度计算，计算依据欧洲起重机械设计规范F.E.M标准。本次计算的装船机结构简图如图1所示。

1.1 模型建立

该装船机计算模型采用有限元计算软件ANSYS10.0。该装船机主要结构是由箱梁、工梁、管等杆件组成，因此在简化建模的过程中选用了以下三种单元类型：

(1)梁单元Beam44。主要参数包括截面特性和材料属性。在建模过程中梁单元用于描述主要的结构件。

(2)管单元Pipe16。主要参数是截面几何尺寸参数和材料属性。在建模过程中管单元用于描述臂架上的斜撑杆。

(3)质量单元Mass21。主要参数是单一实常数。在建模过程中主要用于描述集中质量，如平衡重、司机室、改向滚筒等均简化为集中质量点体现在模型之中。

1—溜筒 2—伸缩臂架 3—外臂架 4—俯仰油缸 5—门框及台车行走机构 6—平衡重 7—回转机构

该装船机的俯仰范围为-12°～+21°。根据装船机的俯仰角度不同，共建立四个模型：

(1)臂架水平放置，伸缩臂架处于最大外伸距，如图2所示。

(2)臂架仰起21°，伸缩臂架处于最大外伸距。

(3)臂架下俯12°，伸缩臂架处于最大外伸距。

(4)臂架水平放置，伸缩臂架处于最小外伸距。此时外臂架与门架结构通过管件锚定，臂架下另有支架支承，模型中将支架简化为相应的约束，如图3所示。

结构自重通过调整材料密度在计算模型中体现。

图2 装船机臂架水平放置，处于最大外伸距的工况模型Figure 2 Working condition model of shiploader when the arm support is longest and in level condition

图3 装船机臂架水平放置，处于最小外伸距的工况模型Figure 3 Working condition model of shiploader when the arm support is shortest and in level condition

1.2 载荷及载荷组合

1.2.1 装船机载荷种类

在工作过程中装船机主要承受自重载荷、物料载荷、风载荷、惯性载荷、侧向载荷等水平、垂直载荷及各种附加载荷。

(1)自重载荷DL

自重载荷即为装船机整机自重。包括装船机的结构、机械设备、电气设备、连续输送机等的重力。

(2)物料载荷ML

散货装船机在工作过程中连续输送物料，所以物料载荷通过合理的质量分布以材料密度的形式在计算中体现。

(3)风载荷WL

F.E.M中假定风载荷沿起重机全高为常值，分为工作风载荷WOL和非工作风载荷WIL，它们都可分别沿小车方向和大车方向。

整机迎风结构承受的风载荷如下计算：

WL=A·q·Cf

式中A——有效迎风面积；

q——风压，q=0.613Vs2，Vs为设计风速；

Cf——沿风向的风力系数。

(4)惯性载荷KL

惯性载荷主要是在起制动的过程中，由加速度(减速度)引起的惯性力。分为大车惯性力和小车惯性力(对于装船机为内臂架惯性力)。惯性载荷按下式计算：

KL=-ma

式中m——大车或小车(内臂架)的运动质量；

a——运动部分对应的加速度(减速度)。

其中，“-”表示惯性力的方向与加速度(减速度)的方向相反。

(5)侧向载荷SKL

对于有轨运行的起重机，需考虑由于轨道倾斜产生的侧向载荷。推荐按下式计算起重机偏斜运行水平力：

式中λ——侧向力系数，取决于跨距与基距之比；

∑P——受侧向力作用侧的起重机走轮上的最大总轮压。

(6)皮带机张紧力BL

皮带机的张紧力由皮带输送机的相关参数决定。

(7)地震载荷EL

地震载荷一般不予考虑，但是对于在地震区工作的起重机，如果有特殊的技术要求，可以考虑地震水平载荷。

(8)增大系数γc

考虑到由不完善的计算方法和无法预料的偶然因素导致的超出计算应力的可能性，采用一个增大系数γc。系数γc取决于装船机的工作组别。

1.2.2 装船机载荷组合

(1)装船机工作状态

① 装船机臂架水平放置，臂架仰起21°，臂架下俯12°，这三种工况内臂架都可自由伸缩。

② 装船机臂架水平放置，内臂架收缩至最小外伸处，外臂架放置于搁架之上。

(2)装船机工况组合

本装船机工况分为无风工作工况，有风工作工况以及暴风非工作工况和地震工况。各种工况下的载荷组合分别如下：

无风工作工况的载荷组合：

γc×(DL+ML+KL+SKL+BL)

有风工作工况的载荷组合：

γc×(DL+ML+KL+SKL+BL)+WOL

暴风非工作工况的载荷组合：

DL+ML+KL+BL+WIL

地震工况的载荷组合：

γc×(DL+ML+KL+SKL+BL)+WOL+EL

1.3 有限元计算原理

在本文的结构力学分析中，ANSYS软件采用能量方程式，通过瑞利-里兹法导出有限元的刚性矩，从而进行求解。

(1)变分学

(1)

在弹性梁静力分析的系统中，拉格朗日运算L的动能V为零，而势能U为应变能S减去外力所做的功，则有：

(2)

将(2)代入(1)，整理后可得到

EI(v″)″-p=0

(3)

(2)瑞利-里兹法

首先假设一组符合于边界条件的的试调函数，并将其代入能量方程式中，再对试解函数的各个系数作微分，令之为零，找出能量方程式的最小值，最后解得试解函数的各个系数。其中可以利用三角函数、幂函数等作为试解函数。

2 计算结果及分析

2.1 装船机各项参数见表1。

表1 装船机参数表

2.2 工作工况应力结果分析

对所有工作工况进行分析可以发现，不同工况的最大应力值也不同，但是最大应力都在同一个位置，即配重承重梁处。应力值较高的部位主要分布在外臂架铰点处、俯仰油缸支撑点处以及内臂架与支承轮接触部位。图4和图5分别是有风工况和暴风工况的应力分布图。

图4 有风工况应力分布Figure 4 Stress distribution of wind working condition

图5 暴风工况应力分布Figure 5 Stress distribution of storm wind working condition

由图可以发现，该装船机的最大应力出现在臂架尾部平衡重支撑横梁上。这是由该装船机的结构形式所决定的。因该装船机采用“跷跷板”式结构，所以尾部平衡重的质量较大，使得平衡重

梁上出现了较高的应力。但是该结构主要承受固定载荷，动载效应几乎可以忽略，而且平衡重梁的应力值仍然小于材料的允许值。另外，高应力点主要出现在臂架铰点处和外臂架的主结构上，但是应力值仍然在材料许用应力的范围之内，结构满足强度设计要求。

3 结论

(1)大型有限元分析软件ANSYS在港口机械分析计算方面的应用越来越广泛，它对装船机金属结构分析计算具有极高的可靠性。大型装船机的自重是影响其结构安全性的重要因素。大型装船机金属结构设计的关键在于如何在各种工况下，既能满足结构强度和刚度的要求，同时又能使起重机的重量尽可能的轻巧。

(2)跷跷板形式的装船机结构相对于传统形式的装船机，减少了上部的人字架结构，减轻了钢结构的质量，在很大程度上降低了整机重量，轮压减小，对码头的要求相对降低，因此使得经济成本大大降低。

(3)装船机的载荷比较复杂，因此所有的载荷情况必须全部考虑周全，尤其作用力很大但合力为零的载荷(诸如皮带机张紧力等)。对于载荷组合，不同的载荷组合所产生的应力大小也不尽相同。

[1] 潘钟林译.欧洲起重机设计规范.上海振华港口机械公司译丛，1998年修订版.

[2] ANSYS使用手册.美国ANSYS股份有限公司，2000.

[3] 刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与实用教程.北京：科学出版社.

[4] 陈玮璋.起重机金属结构.北京：人民交通出版社.

[5] 李斌，王悦民.大型港口装船机结构载荷组合及计算.起重运输机械，2009，3.

[6] 张维建.煤炭码头装卸设备的现状及发展趋势[J].港口装卸，2005，5.