一种新式海运用电缆盘吊装框篮

2012-09-28刘志东

电线电缆 2012年6期

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。