基于有限元的集装箱吊具改造设计和结构分析

彭 鑫

(江苏省南通市通海港口有限公司 江苏南通 226000)

我国集装箱物流业发展起步较晚，随着我国对外开放政策的推进实施，多个自贸区建立为集装箱物流货运发展提供新动力。铁路系统物流运输集装箱运输不断增长，全国形成40多个集装箱作业站，开展固定班列的集装箱运输系统建设。港口集装箱起重机堆场装卸设备作业中，通常在吊具配置导板机构，港口集装箱堆场装卸中涉及自动收缩吊具导板，可有效降低吊具作业中的硬冲击。吊具精度决定起重机设备生产效率，普通集装箱吊具框架通过轴销连接，实际搬运装卸作业需要吊具旋转90°，吊具框架沿用普通集装箱吊具结构，去掉起承载轴销，吊具部分采用普通集装箱伸缩式结构。

一、集装箱吊具简介

经济全球化带动对外的发展，海运完成全球贸易总量70%以上的货运，海运货柜集装箱发挥重要作用，我国港口运输年均增长率达30%，推动我国外贸的发展。正面吊运机应用于货运中转站等，能进行隔箱作业，具有作业效率高等优点，是理想的装卸搬运设备。集装箱集散地、铁运站对集装箱装卸搬运机械提出了更高的要求，而正面吊运机型具有机动性强等特点。

正面吊运机吊具系统采用伸缩式吊具，可左右侧向移动，使集装箱准确对位。可对不同尺寸集装箱吊装提供很大的便利性[1]。正面吊具结构性能难以理论分析手段解决，有限元分析可通过分析软件模拟在不同工况下力学性能。集装箱正面吊机结构具有适用范围广，伸缩臂架构性能好，吊具可左右旋转等优点。吊具对复杂场合目标作业，可伸缩适应不同尺寸集装箱，臂架运动带动集装箱升降，变幅运动在液压系统作用下同步进行，吊装生产效率大幅度提高。正面吊运机可用于不同场合，同时具有叉车特点，能堆垛四个集装箱。吊装重量超过吊运机允许起重量机构锁死，吊装重物时机器行驶速度过高将使发动机停运。

1970年，Belotti公司发明首台集装箱正面吊运机，基于自身拥有技术基础，将生产起重机改进生产B75，多功能吊具等部件组成B75正面吊运机，主要技术性能包括吊具可用于20ft，35ft集装箱作业，侧移-800～+800 mm，最高行驶速度26 km/h。1980年后，许多国际知名公司开始集装箱调运设备开发，大多集中于欧洲地区。正面吊运机制造工艺逐步走向成熟，吊具应用进行改善，提高吊运机工作效率，优化车架结构与臂架支撑结构。目前，正面吊运机使用遍布世界各地，呈现快速发展趋势，向生产制造专业化、机器大型化、电气控制智能化等方向发展。

二、有限元分析集装箱吊具结构改造设计

港口集装箱起动机吊具配置导板结构控制形式分为机械固定式与液压活动式。液压活动式吊具导板机构控制形式改造性能受系统工作环境影响，采用电磁阀换向控制方式，存在冲击大、维修成本高等问题，机械固定式吊具导板采用螺栓固定安装形式，导板机构采用刚性连接方式，易因碰撞发生变形损坏，因吊具着箱偏差造成与顶部撞击引发货损。设计港口集装箱起重机自动收缩吊具导板，需做好旋转机构选型与吊具结构设计。

采用滚动轴承式回转支承，吊具旋转部分固定在大轴承回转座圈，通过驱动支承平台旋转。采用两只油缸驱动，固定座受力均衡，每只油缸两端利用固定销固定在吊具框架地面，集装箱吊具通过油缸伸缩实现水平面旋转，油缸缩回可使吊具旋转回原位置。改造建立在普通集装箱吊具基础上，采用4条支腿支承、回转支承等结构[2]。为使油缸活动空间加大，选把油缸布置在支承平台底部。支腿选用箱形结构，受荷载为集装箱Q=40t，支腿受外载F=12.5t，每条支腿自重Q2=0.5t。

利用有限元分析软件进行结构分析，支腿可视为两端剪支梁单元，获得最大位移为Smax=2.556 mm,最大应力σmax=245.0 MPa。支承底座向内移动，需要计算吊具横梁强度，横梁变形过大影响伸缩架伸缩。吊具横梁主要受集装箱拉力，吊具框架电机压力等，吊具横梁1/4受力分析，伸缩架自重T2=0.5t，忽略推杆对伸缩架的刚度影响。最大应力为σmax=245.0 MPa，最大位移Smax=39.06 mm，可满足刚度强度要求。

三、结束语

集装箱吊具改造满足搬运装卸对吊具带载旋转要求，液压油缸方案具有改造方便等优点，可带来较好的经济效益。有限元分析软件可方便求解结构强度，为优化结构尺寸提供依据。港口集装箱起重机吊具导板应用于某集装箱码头起重机吊具取得良好效果。作业操控性强，降低轨道吊具作业硬冲击导致导板损坏情况，未发生导板及部件损坏，降低维护维修成本，适用于集装箱堆场装卸起重机，为港口集装箱起重机装卸工艺设计提供借鉴。