一种新式海运用电缆盘吊装框篮
2012-09-28刘志东
刘志东
(青岛汉缆股份有限公司,山东青岛266102)
0 引言
随着国际贸易以及经济全球一体化的发展,海运这种运载量大、价格低廉且非常实用的运输方式,近年来发展迅速,其规模和运力也得到前所未有的提高。我公司在不断开拓国内市场的同时,也积极拓展海外市场。近期我公司和非洲某国签订了一批电力电缆出口合同,共计约30个电缆盘。由于路途遥远,中途既有漫长的海上运输,又有长距离的陆地运输,而如何方便、安全地运输这批电缆是个不小的挑战。
1 新式海运用电缆盘吊装框篮
按照通用标准,我公司的电缆盘直径1500~3500 mm,宽度1600~3000 mm,如图1所示。电缆是呈螺旋形、层层叠加缠绕在电缆盘的辊筒直径d上,在缠绕到快接近侧板直径D时,在其表面包覆一层薄铁皮,起到保护电缆的作用。在启用电缆时,外包覆的铁皮要去掉。
在早期传统的货船装运电缆的方式中,往往是单层堆放的,在电缆盘滚动的两个方向用4块锲形木顶住,锲形木用钢钉固定在船舶甲板上(见图2)。
图1 电缆盘
图2 电缆盘装船图
这种装船方式的优点是摆放简单、操作方便,适合快速装船。缺点,一是不能有效利用甲板空间;二是由于长途海上运输,风浪造成船舶在运输过程中不断颠簸,剧烈的摇晃、起伏会使得锲形木松动、脱落,起不到防止电缆盘滚动的作用,从而造成相邻两个电缆盘之间刮擦、碰伤。这种碰伤往往会直接破坏外表面包覆的铁皮进而损坏电缆,造成不必要的损失,这种情况在以往的运输中曾经发生过。
为了克服以上遇到的问题,我们设计了一种新式的电缆盘吊装框篮(见图3)。
图3 电缆盘吊装框篮
在图3中,上横梁、纵撑、立撑、上纵梁、中横梁、立柱、斜撑、底盘,它们组成框篮的基本结构。其中构件1与 2、4与 1、4与 8、7与 8、8与 10,都是用M16的8.8级螺栓联接。3是起吊时用于挂钢丝绳的,用电焊牢固地焊接在1上。6是可以活动的,方便工作人员爬上框篮松开吊绳。而且当电缆运到现场后,要人爬上顶部松开3根纵撑的螺栓 ,取下纵撑,方便电缆从框篮中吊出来。9用8.8级的M10螺栓联接,起到隔开相邻两个电缆盘的作用,使电缆盘在剧烈摇晃时不至于碰到另外的电缆盘,另外也起到加强框篮结构的作用。当电缆盘吊入框篮后,把锲形挡块插入到电缆盘两侧圆盘的底部使之与电缆盘接触紧密后,再用点焊焊接联接到底盘10上。设计成框篮结构的好处是便于启运和开箱卸货,而且拆卸下来的框篮零部件如果没有变形、损伤,可留作下次使用,节省了包装的费用。
2 框篮受力分析
2.1 立柱受力分析
由材料力学知道,低碳钢的抗压极限与抗拉强度接近,根据强度条件公式:
式中,N为4根20#槽钢立柱受到的电缆盘的压力;A为4根20#槽钢立柱受力的截面积;σ为立柱的工作应力;[σ]为立柱的许用应力。
将 N=7.30 ×104N,A=32.8 cm2,代入式(1)中,得 σ =22.2 MPa,查资料得[σ]=240 MPa,σ <[σ]。
考虑到运输过程中的颠簸冲击,其冲击系数ψ大约为1.1~5,我们取最大值5,那么实际工作应力σ实=5×22.2=111 MPa,σ实<[σ]。
采用了符合国标的20#高强度的槽钢作为承载立柱,能够满足承载上方一层的电缆盘的要求,同时也可以满足吊拉时的拉应力的要求,如图4所示。
2.2 底盘受力分析
底盘10的承重能力尤为重要,设计的底盘是经过加固过的,如图5所示。
根据合同的要求以及我公司的标准,规定了每个电缆盘直径为3250 mm,宽度2300 mm,重量大约7.45 t。依据电缆盘的空间尺寸,我们设计的框篮尺寸为:长3500 mm,宽2862 mm,高3550 mm,重量大约 2.1 t。
根据式(1),N为14#工字钢受到的电缆盘重力;A为14#工字钢的受力截面积;σ为14#工字钢的工作应力;[σ]为14#工字钢的许用应力。
图4 装船示意图
图5 底盘受力图
将 N=7.30 ×104/2=3.65 ×104N,A=21.5 cm2,代入式(1)中,得 σ =16.97 MPa。
为了节约材料,我们想把这些没有变形的槽钢材料回收利用,如果变形了,修复起来成本较高。所以取槽钢的屈服强度来计算,也是出于经济成本的考虑。工字钢是属于普通碳素钢,查资料得[σ]=σs=230 MPa(σs为14#工字钢屈服极限)。
另外考虑到船舶在航行中遇到风浪后的颠簸冲击,其动载荷的冲击倍数约为静载荷的7~9倍,取最大值 9,则实际工作应力 σ实=9×16.97=152.73 MPa,σ实<σs,满足了屈服极限的要求。
上述是为了方便推算而简化了的模型,底部的槽钢受力其实没有这么大,电缆盘有一部分重量分散到了四根20#槽钢立柱上了,这也无疑减轻了底盘14#工字钢受到的冲击,可靠性大大增加。
2.3 吊钩受力分析
吊钩3的受力强度也是一个重点,吊钩采用的是Q345B钢材,厚度为20 mm,吊钩的最小弯径处尺寸为30 mm,如图6所示。
根据剪切应力的公式:
式中,P为吊钩受到的总拉力(包括电缆盘和框篮的重量);A为吊钩的受力截面积(4个吊钩的截面积);τ为吊钩的工作应力;[τ]为Q345B钢材的许用应力。
将 P=9.36×104N,A=4×2×3=24 cm2,带入式(2)中,得 τ=39 MPa。
Q345B钢材的剪切许用应力[τ]=0.6 ~0.8[σs]([σs]为 Q345B 的屈服极限),取平均值 0.7,查资料[σs]=345 MPa,则[τ]=0.7 ×345=241.5 MPa。
考虑到起重吊装时的冲击会对吊钩有影响,而且这种影响有时会相当大,比如一些极端的情况,如突然起吊或在起吊过程中遇到障碍物等,在这些情况下仍然要保证框篮的安全,所以取起吊冲击载荷系数ψn为1.1~5,符合起吊用钢丝绳的安全系数范围。我们取最大值5,即可得出:τ实=39×5=195 MPa,τ实<[τ],故满足安全起吊的要求。
为了在电缆框篮上面再堆放一层电缆盘,在每个框篮的上面架了3根纵撑,既起到托住上层框篮的作用,又起到了加强框篮上部结构的作用。当起吊框篮时,其钢丝绳的拉力对框篮两侧的槽钢有一个很大的往内的拉力,如图6所示。
图6 吊钩受力分析图
在图6中,F1和F2是钢丝绳的拉力,这两个力分别分解成 F1a和 F1b,F2a和 F2b,F1a和 F2a是提升框篮的重量,而F1b和F2b则是对框篮内部形成了拉力,这种拉力会使得两侧槽钢变形,如果变形严重会碰到电缆盘,而三根纵撑正好起到抵消这种力的作用,保护了电缆盘,同时这三根纵撑在上部也可以起到承载上层电缆框篮的作用。
3 结束语
这种吊装框篮在受力上完全满足了使用的要求,符合安全、可靠、便捷的运输要求,而且还有三个突出的好处:一是可以方便、平稳地把电缆盘放置在甲板上,不会颠簸后滚动,损伤电缆;二是电缆盘可以堆放,节约了甲板的空间,大大增加了船舶的运载量,节约了运输成本;三是即便在陆地上运输,也可以非常方便地起吊与装车。
所以,无论从安全角度还是从经济角度来看,这种方式都是值得推广的一种新的运载方式。
[1]徐 灏.安全系数和许用应力[M].北京:机械工业出版社,1981.
[2]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1992.
[3]GB 50127—1994电力电缆设计规范[S].
[4]起重机设计手册[M].北京:机械工业出版社,1998.
[5]GB/T 3811—2008起重机设计规范[S].