集装箱正面吊吊具伸缩臂开裂分析与研究

2017-06-05刘兴锋易炳刚

中国设备工程 2017年10期

关键词：定期检验加强筋吊具

刘兴锋，易炳刚

（深圳市特种设备安全检验研究院，广东深圳 518000）

集装箱正面吊吊具伸缩臂开裂分析与研究

刘兴锋，易炳刚

（深圳市特种设备安全检验研究院，广东深圳 518000）

正面吊吊具作为集装箱搬运过程中的主要工具，其结构状况是起重机械定期检验规则中重点要求检查的部分。伸缩臂作为吊具的直接受力结构件，其结构受力状况直接影响吊具结构的性能及使用过程中的安全性。本文以现场起吊40英尺标箱为例，通过研究伸缩臂的破坏形式，及simiulation有限元分析结果找出吊具伸缩臂结构应力最大位置，分析产生破坏的原因，并对该位置进行加强处理，降低结构的应力，提高吊具的使用寿命。

裂纹；疲劳寿命；应力；应变

1 概述

正面吊是对集装箱进行装卸、堆码和水平运输作业的装卸搬运机械。标配集装箱多功能伸缩式吊具，通过左右旋转、横向移动、水平倾斜等操作，能便捷的完成着箱动作和窄道通过；吊具侧面挂耳加装吊爪和吊索，还可以吊运其他物品（如木材）。因其方便可靠、稳定性好、负载大、利用率高等优点广泛应用于码头堆场、铁路、货运场站等场所。吊具的金属结构主要由转台、主筒和伸缩臂组成。

吊具的伸缩臂发生开裂是严重的事故隐患，不及时发现并消除，能造成灾难性的后果。起重机械定期检验规则（TSG Q7015-2016）要求“主要受力构件(如吊具横梁)连接焊缝无明显可见的裂纹”，即要求主要受力构件或焊缝发生裂纹时，起重机应当立即停止使用。在根据受力的状况和裂纹的发展趋势采取了相应的应变措施，如改变应力的分布，或者更换新的结构件后，方可继续使用，否则应当予以报废（图1）。

图1 吊具伸缩臂开裂位置

2 正面吊吊具伸缩臂受力及开裂分析

常见正面吊的额定载荷为45T，即吊具下最大能起吊45T的重物，旋转角度+105°/-195°，侧移±800mm，能吊运国际标准20/40英尺集装箱。

2.1 建立吊具有限元分析模型

SolidWorks-simulation是基于有限元分析(即FEA数值)的设计分析插件。simulation能实现多种分析功能，尤其是对几何模型的静态和疲疲劳分析更具优势；通过确定材料属性、加载、施加约束及划分网格之后可对计算模型中的应力、应变和位移进行直接求解。三维模型建立完成后。根据吊具伸缩臂的结构及尺寸，建立其有限元分析模型。

2.2 静应力分析

根据吊具的作业工况，经分析得知当起吊40英尺标箱时最恶劣的工况为：起吊额定起重量Q=45000kg；侧移量：S=800。吊具伸缩臂受力云图如图2。

由受力云图可知，在伸缩臂处于40英尺状态时，伸缩臂与主筒接触位置处结构的应力最大。同时检验过程中发现的开裂就处于该位置处，说明分析结果与实际受力状况基本一致。尤其是使用年限超过15年的正面吊运机，其吊具的伸缩梁40尺位置处都有开裂现象。

图2 伸缩臂有限元分析受力云图

图3 采用增加板厚的分析云图

图4 采用加强筋的分析云图

2.3 伸缩臂的开裂分析

由有限元分析结果可知，在开裂位置受力较大，且为应力集中位置，虽然该处的静应力值为远未超过钢材HG70的许用应力值，但是在长期的使用过程中由于长时间承受交变载荷，结构发生疲劳破坏，开始产生疲劳微裂纹。且由于该位置处不便检查，在微裂纹形成之初，未能有效采取措施，导致母材开裂严重。

3 解决措施

有限元分析可知，该位置处应力较大，可通过降低应力的方法来解决，即对伸缩臂伸出40尺位置开裂处进行加强。此种结构降低应力的方法基本上有两种；其一是增加受力较大位置处的板厚；其二是在该位置增加加强筋。至于采用何种方法，还需根据现场伸缩臂的结构及伸缩臂传动的方式来确定。对于采用油缸传动的吊具，采用增加板厚就比较方便，因为油缸需在伸缩臂中运行，如果采用加强筋的方式就会阻碍油缸运行；对于采用链条传动的吊具，采用加强筋的方式就更胜一筹。两种加强方法的有限元应力分析云图如图3、4所示。