王碧涛 曾 鹏 罗振国 林伟华 王光辉

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)是用于对集装箱船舶上的集装箱进行装卸的设备。岸桥多布置在沿海或沿江码头,时常会遇到暴风或台风的袭击,近年来台风、飓风在全球范围的多发,迫使许多国家提升了港口起重机的防风设防标准[1]。常规岸桥大梁的截面一般为梯形或矩形,常规轨道吊主梁的截面一般为矩形,对于环境风速较高的地区,或者码头轮压要求比较严格的项目,为满足暴风工况下轮压稳定性的要求和结构的安全性,常常需要增加大梁板厚,这样既增加了整机重量,又提高了制造成本。在对设备结构进行优化的过程中,利用圆形截面风力系数较小的特点,创新设计了半圆形大梁岸桥,并应用到实际项目中。

2 关键技术与创新点

2.1 设计要求和技术参数

国内首台套半圆形大梁岸桥,其主要参数为:前伸距30 m,后伸距12 m,吊具下额定起重量40 t,轨距16 m,轨上起升高度22 m,前大梁最大仰角55°。该岸桥属于轻型产品,无前大梁俯仰锚定设计,非工作状态前大梁水平工况,需考虑设计风速70 m/s,要求非常严格。同时由于用户码头海侧许用轮压较小,用户对整机重量控制要求严格,因此在满足基本设计要求的同时还需低风阻、轻量化设计。半圆形大梁直径3.7 m,其整机结构布置见图1。

图1 半圆形大梁岸桥结构布置图

2.2 半圆形主梁截面设计

半圆形主梁主截面由9个零件组成,面板与两侧的承轨梁面板焊接在一起,在面板内侧根据角钢设计间距布置贯穿纵向角钢。两侧承轨梁腹板、侧面圆弧板与底面折弯板焊接在一起,在圆弧板内侧根据角钢设计间距布置纵向角钢,在底面圆弧板中心位置焊接贯穿U型加强筋。横向隔板焊接到圆弧板上,最后面板与圆弧板焊接在一起,形成一个半圆结构形状,小车轨道布置在轨道面板上(见图2)。

1.小车轨道 2.承轨梁面板 3.面板 4.承轨梁腹板 5.侧面圆弧板 6.横向隔板 7.纵向角钢 8.U型加强筋 9.底面折弯板图2 半圆形主梁截面设计

通过对各类工况下的大梁结构强度、稳定性、疲劳、刚度等技术指标进行计算分析,确定其轮廓尺寸、承轨梁设计方案、角钢和隔板布置等。半圆形截面上宽下窄,T形承轨梁与上翼缘板、圆弧腹板分别拼接,整体形心偏上,造成上下两端的弯曲应力幅值相差偏大。通过在截面圆弧底部布置自制U型加强筋,增大截面抗弯惯性矩,可降低形心位置,有效地控制大梁自重并提升截面承载性能,同时可解决圆弧板局部稳定性的问题。

2.3 半圆形大梁风力系数研究

对半圆形截面构件进行CFD(Computational fluid dynamics,流体动力学)计算,并与风洞试验的结果进行对比,验证该CFD仿真分析方法(模型处理、流场网格划分、湍流求解)的合理性。

2.3.1 风洞试验

国内外现有的相关规范暂无半圆截面类型构件风力系数的相关说明,通过风洞试验能得出主梁准确的风力系数。为确定半圆形大梁的风力系数,制作半圆形前大梁模型(比例1∶25),单独进行前大梁风力测试工作。该试验在均匀风场环境中进行,测试前大梁水平、45°、80°这3种状态,获取前大梁体轴系的6个力分量的气动力系数Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。

参照风洞试验数据结果,通过与常规双箱、单箱前大梁的风载荷进行对比(见表1),可得出在同等参数条件下,半圆形大梁在大车方向的风载荷更小,优势明显。

表1 不同形式大梁风载荷对比

2.3.2 CFD数值模拟分析

CFD数值模拟法是风工程研究的常用手段之一,它是以计算流体动力学为核心,运用一定的技术来求解流体力学中各种复杂问题的离散化数值解的计算方法。利用软件对新型半圆形岸桥主梁的风力系数进行模拟分析。模拟得出的风力系数变化趋势与风洞试验基本一致。在迎风角度为90°时,数值模拟出的大车运行方向(Y向)风力系数与风洞试验的结果误差约2%[2](见图3)。

图3 风力系数数据结果对比

参照数据分析对比结果来看,CFD计算周期短、结果可信度高,可为后续半圆形大梁项目的风力系数取值提供理论设计参考依据。

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2.4 关键联接节点设计

2.4.1 全新铰点布置

岸桥结构的前、后大梁采用全新单铰轴系统联接,配用“双Z型”承轨梁接头形式,以满足俯仰运行需求。同时还需考虑承轨梁悬臂段的承载能力,运用三维动态仿真和有限元分析,将铰点定位、接口尺寸设定等都进行核算,确保小车顺畅运行(见图4)。

图4 全新铰点布置

2.4.2 轨道接头L形设计

在岸桥结构的前、后大梁轨道接头位置,同样需考虑俯仰机构运行和结构承载需求,后大梁轨道斜切135°,前大梁轨道斜切45°。轨道上表面接头作圆弧处理,减少小车车轮过接头的冲击力。轨道接头左右方向用L形连接方式连接,使轨道受力更加优化(见图5)。

1.后大梁上 2.重叠段 3.前大梁上 4.承轨梁图5 轨道接头L形设计

2.4.3 嵌入式拉杆耳板

岸桥结构的前、后拉杆销轴联接处,在小车带载运行过程中,会对拉杆产生很大的拉伸应力,因此拉杆节点板的设计及与大梁本体的联接尤为重要。合理设计连接处节点板的轮廓、局部倒圆过渡、端头细节处理、大梁内部隔板间距和挖孔尺寸等,通过计算分析,确保其承载性能完全满足许用要求,并有效提升焊接接头处的疲劳可靠性。

2.4.4 铰接式支撑横梁

因半圆形大梁的小车轨道布置在大梁截面上方,其机器房底架的布置高度因小车运行空间要求需整体抬高,对支撑横梁提出更高的承载需求。为同时满足3个方向的载荷传递和支撑,设计两端铰接、侧向抗剪的形式,各个方向载荷通过不同的路径传递到大梁的本体结构上,受力更明确,结构对筋更简单直接(见图6)。

图6 铰接式支撑横梁

2.4.5 飞翼式端部横梁

由于岸桥结构的前大梁头部横梁、后大梁尾部横梁上部空间需布置起升机构,无法将横梁布置在本体结构的上面,因此此处采用飞翼形式,直接生根于圆弧腹板,在箱体内部做好局部加强支撑,外部对接处平滑过渡成型,结构形式简单可靠,制造简单方便(见图7)。

图7 飞翼式端部横梁

2.5 小车总成设计

采用倒置“π”型车架结构形式,通过有限元计算对小车架的联系横梁和支腿截面形式进行对比分析(见图8),综合考虑强度、刚度、稳定性、焊接工艺等各方面的评价因素得出最优解。同时配套单侧内外轨水平轮导向技术,可有效解决轨道直线度、平整度、高低差、轨距难以控制的问题。车架整体下沉,驱动机构和起升滑轮等均布置在大梁上方,可提高制造和安装的精度,方便装配、测量、调整和日常检修维护,可降低码头对小车的维护成本。

图8 小车架结构有限元分析

2.6 制造工艺设计

试制探索半圆形大梁成型技术方案,从方案实施、危险来源分析、成本预算控制和施工的难易程度等环节着手,对圆弧腹板的成型方式及焊接顺序、焊接式轨道的安装工序及焊接质量控制、圆弧大梁成型后整体尺寸的控制、大梁转运及拼装、前后大梁对接后的承轨梁面加工和铰点轴孔划线等多方面进行工艺设计,不断优化半圆形主梁制造的工艺流程,确保项目顺利总装。

2.7 配套件选型优化

考虑到新型半圆形岸桥机房空间受限和减重需求,采用驱动和辅助变压器合二为一的双绕组变压器的方案,可满足项目轻型化和节约空间的要求,节省高压柜和变压器的费用成本。

相较于常规双箱梁岸桥,新型岸桥结构的前、后大梁在大车方向工作风载荷减少34%,暴风载荷减少32%,进而可降低工作轮压3%、暴风轮压6%。相应地,大车总功率降低10%,俯仰总功率降低10%,大车防风装置包括夹轮器、系固、锚定等设备选型分别降低20%、10%、20%。

2.8 整机刚度性能要求

岸桥在使用过程中零件及构件不应产生过大的变形,尤其是前、后大梁结构,否则也会影响正常工作,因此还必须要求在载荷作用下构件所产生的变形应在允许的范围内,即应有足够的刚度。若设计不当,对钢结构疲劳寿命、小车运行状态和整机操作舒适性和经济性都有较大影响。为了保证司机的操作便利性,需适当加强门框下部结构的截面尺寸和板厚,提高整机在小车方向的刚度性能。

3 结语

全新半圆形大梁岸桥,具备风阻小、重量轻、能耗低的特点,可以降低设备的全生命周期使用成本,提高码头投资的综合收益,增强产品竞争力。根据设备的起吊额定载荷和防风性能需求不同,半圆形大梁的截面设计也会有相应的变化,后续将进一步拓展该机型的系列,其适用范围的主要技术指标见表2。

表2 半圆形大梁岸桥适用范围

对半圆形大梁岸桥研发过程的一些关键技术和重难点设计进行总结,可为后续不同参数的半圆形大梁岸桥的设计制造提供参考。