岸边集装箱起重机轻量化设计

摘 要：岸桥作为港口搬运集装箱的关键设备，实现岸桥轻量化设计是保证其节能减排的关键途径。以某港口岸桥为研究对象，在搭建其有限元分析模型基础上，对关键部件尺寸厚度进行优化，并对优化岸桥强度、刚度以及模态频率、疲劳寿命进行校核，最后可知，优化设计后的岸桥不仅实现了轻量化设计，且性能满足实际生产的需求。

关键词：集装箱 起重机 轻量化

港口起重机轻量化设计不仅可以降低起重机对码头的承载要求，减少码头基建和起重机制造成本，而且能够减少起重机在正常工作中的能源消耗，进而降低污染物排放，最终达到节能减排的目的。本文以港口起重机其中的岸边集装箱起重机为研究对象，并基于ANSYS分析软件对岸桥进行轻量化设计。 1 轻量化技术研究 1.1 轻量化理论

岸边集装箱起重机的轻量化设计目标函数的典型数学表达式如式（1）所示。

g1(x,x,v)0g2(x,x,v)0 （1） minf(x,v)式中，x为状态函数；g1和g2为约束方程；f（x，v）为目标函数；v为目标函数的设计变量。轻量化设计优化方程中，目标函数是整机质量；约束条件是结构最大变形量满足许用值、最大应力满足许用值，第一阶整体模态频率不降低，并且立柱和大梁受压腹板满足屈曲验证计算；设计变量是各结构组成件板厚及形状。

1.2 轻量化优化措施 1.2.1 优化起重机的整机结构 （1）优化整机结构

岸边集装箱起重机钢结构重量约占整机重量的60%～70%，因此钢结构的轻量化就显得尤为重要。钢结构轻量化设计包括对钢结构外形结构、截面尺寸的优

化；并基于相关分析软件，以质量最小为原则，对各个工况下的载荷进行优化计算。通过计算得到起重机的最佳结构，在实现轻量化优化的同时，保证起重机的可靠性和稳定性。例如机器房底架可采用一体化设计，取消机房内的机构底座；大梁可采用单箱梁或者桁架式大梁来进一步减轻岸桥钢结构重量。 （2）工艺改进

钢结构焊机工艺改进，可大量使用焊接机器人，在保证焊接质量的同时，降低焊材使用量。另外，还可以采用环锻滑轮代替精铸滑轮，在减少环境污染的同时，减轻了重量；梯子平台挡脚板采用厚度为2.5mm的冲压折弯板，在满足强度前提下，岸桥整机挡脚板大概能减重1～1.5t。 1.2.2 选用合适的轻质材料

选用合适的轻质材料，取代传统起重机中的质量较大的结构件。 （1）选用高强钢代替普通钢

目前岸桥钢结构主要受力构件通常采用A709-50-2或者等强度的Q345低合金钢，次要受力构件采用Q235。高强钢相对应普通钢在强度相同情况下，其质量远小于普通钢。例如，采用A709-70-2钢代替常规的A709-50-2或者Q345钢，采用A709-50-2或者Q345钢取代Q235普通钢，不仅可以提高起重机强度，还能使质量降低20%～30%；尤其在有抗震要求的起重机设计中，在不影响起重机其他性能参数前提下，使用A709-70-2高强度钢可以显著降低构件重量。 （2）合理采用复合材料

采用MC尼龙滑轮，不仅能够满足实际工程要求，还能够达到延寿、轻量化目的。此外，起重机中电机、制动器的外壳采用玻璃钢等轻质材料。 1.2.3 改进机构设计

俯仰机构采用多层缠绕可以大幅减轻俯仰机构的重量，折线卷筒的使用还可以更有效地避免乱绳，减少钢丝绳磨损。随着岸桥远程控制技术成熟，使得取消小车上的司机室成为可能，取消司机室可以减少约4t的移动载荷，非常有益于钢结构减重。

2 岸桥有限元模型的建立

为确保所搭建模型在计算仿真时运算量较小，搭建岸桥有限元模型时需做出如下假设；第一，起重机在正常工作时，大梁处于水平状态，且前后拉杆为二力

杆；第二，起重机的撑杆系统为管状结构；第三，机房简化为加质量点和四根横梁；第四，将小车结构的力直接作用于大梁上；第五，根据刚度等效原则，将大车运行机构简化为等效梁。 3 岸桥结构的静态特性分析 3.1 施加岸桥结构静载荷

为便于计算，将起重机的动态问题简化为对其静态特性的分析。为确保轻量化处理后的起重机仍能满足极限工作情况，故将静载荷施加于对其中最不利的位置。主要施加的静载荷包括岸桥自重、所承受的风载荷、岸桥负载重量、其他零部件自重以及小车制动引起的作用力。 3.2 岸桥载荷工况和变形观察点研究

考虑到小车载荷是影响岸桥变形和应力变化的主要因素，根据大型结构优化计算特点，本文采用近似算法对小车机构变形和应力进行分析。经综合分析可知，8个工况位置的岸桥的变形和应力能够反映岸桥在整个工作后期内的变形和应力情况如图1所示。经综合考虑，选择在大梁和门架结构中P1～P9为最大位移处。

图1 载荷施加位置及变形观测点示意图

4 岸桥轻量化设计 4.1 岸桥结构尺寸优化

岸桥金属结构主要由大梁、管和杆组成，由于大梁为起重机关键承载结构，一旦起重机零部件应力超过其许用应力，大梁与其他零部件之间连接尺寸及形式就会发生变化。因此，此处优化项仅对零部件厚度进行优化，而不对结构外形尺寸进行优化。

4.2 钢结构优化约束条件

强度约束条件是根据岸桥所选用钢材型号为Q345，安全系数为1.5，则该材料的需用应力大小为230Mpa。

刚度约束条件是对于岸桥金属结构而言的，刚度可以理解为结构变形量，优化后起重机的刚度即为工作状态下大梁的最大变形量，且不超过标书要求；金属结构在第一阶频率下的模态频率不降低。

屈曲约束条件为优化后的起重机结构没有局部屈曲的风险。 疲劳约束条件为优化后的起重机结构疲劳寿命满足标书要求。 4.3 强度和刚度验证

对图1所示的8个位置在不同工况下进行有限元优化计算，并从所得8组数据中选取一个最大确定为最终优化尺寸。除此之外，减小那些质量大但对强度和刚度影响较小的部件尺寸，适当增加那些质量小但对强度和刚度影响较大部件的尺寸。

优化设计后整机及前后大梁最大应力增大，但仍在许用应力的范围内；前大梁变形量增加2.5mm，后大梁变形量增加1.1mm，满足最大变形量300mm要求；整机的第一阶模态频率未发生变化。 4.4 结构屈曲验证

结构腹板失稳取决于腹板宽度和厚度比值，增加腹板厚度和焊接加强筋都可以达到减小腹板宽厚比的目的；但增加板厚达不到轻量化设计的目的，也可能会产生其他方面的问题，因此工程上通常采用增加加强筋的方法进行处理。

F.E.M.里面提供了屈曲验证的一种方法，即根据F.E.M.附录A-3.4，临界屈服应力是欧拉应力的某个倍数，欧拉应力如式（2）所示。

2Ee （2） 2121bRE2式中，e为厚度；b为宽度，是板材在垂直于压力方向上测得的尺寸；E为弹性模量；

为泊松比。对于普通钢E=210000N/mm2，

=0.3，欧拉应力公式可

进行转换，如式（3）所示。

eRE189800 （3）

b2临界屈曲应力和欧拉应力成倍数关系，在单纯受压情况下，临界应力如式（4）所示。

EVcrKR （4）

在单纯受剪切的情况下，临界应力如式（5）所示。

EVcrKR （5）

式中，系数Kσ和Kτ为屈曲系数，取决于板两边尺寸比值、板边支撑情况、板在其本身平面内所受载荷类型以及板加强筋加强的情况。Kσ和Kτ具体数值可根据相关数据表求出。

根据F.E.M.计算方法，轻量化优化设计后，结构最大应力远小于临界屈曲应力，没有屈曲危险。 5 疲劳寿命的验证 5.1 疲劳定义及计算方法

所谓疲劳损坏是指在交变载荷作用下，结构发生裂纹等疲劳破坏。疲劳强度计算方法主要有应力比法和应力幅法两种。应力比法是用结构计算的最大应力比最小应力，即R=σ

max

/σ

min

；然后最大应力在疲劳许用应力范围内，即σ

max

≤σr，

目前FEM和DIN15018使用的都是应力比法。

应力幅法的计算方法是单元上的应力幅值小于许用应力幅值，即σ

max-σ

≤ σ，且∑（ni/Ni）≤1，其中，ni是根据单元的应力幅值计算出的循环次数；Ni是根据S-N曲线得到的循环次数，BS5400、JIS和ASME NOG均使用应力幅法。 5.2 疲劳寿命的计算结果

本文利用MSC.fatigue软件对优化后的结构疲劳分析，根据岸桥工作状态下的循环，忽略风载荷及大车惯性力与定义载荷谱；然后再根据载荷谱计算出应力谱，对每一个单元进行分析，优化后的结构疲劳寿命满足标书要求。 6 结语

岸边集装箱起重机作为港口搬运集装箱的关键设备，其能耗备受关注；而要想实现岸桥节能减排，关键在于实现岸桥设备轻量化设计。本文基于ANSYS对某型号岸桥进行优化设计，经优化后实现了岸桥轻量化设计；且优化后的岸桥结构强度和刚度均满足实际工作需求，且结构最小疲劳寿命也满足实际工作及相关标

准要求。 参考文献

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