孫亞平 曾 鵬 羅振國(guó) 王寶海

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 上海 200125

0 引言

防風(fēng)系固是岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）的重要安全裝置，其在暴風(fēng)時(shí)，起限制起重機(jī)輪子抬起和防傾覆的作用。隨著國(guó)際集裝箱船舶大型化，岸橋的參數(shù)越來(lái)越大，抗暴風(fēng)要求也越來(lái)越高，故對(duì)碼頭的系固承載能力要求也越來(lái)越高。對(duì)于新碼頭，在建造時(shí)需投入更大的成本；對(duì)于老碼頭，系固承載能力的限制制約了設(shè)備的升級(jí)換代。因此，更加科學(xué)、準(zhǔn)確地對(duì)防風(fēng)系固裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，變得越來(lái)越迫切。

本文運(yùn)用結(jié)構(gòu)有限元FEA，計(jì)算分析輪壓、系固和松弛的關(guān)系，指出了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不足，進(jìn)而介紹了松弛設(shè)計(jì)原理，證明其能顯著降低系固力。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用反力互等、局部剛度、自重?fù)隙汝P(guān)系，從輪壓出發(fā)，給出了一種實(shí)用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

1 存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)上認(rèn)為系固裝置必須是收緊的才能起到系固作用，實(shí)際上存在誤區(qū)。例如某岸橋大梁80°抗暴風(fēng)，載荷組合為DL+TL+LS+1.2WLS，其中DL為固定質(zhì)量，TL為小車質(zhì)量，LS為吊具質(zhì)量，WLS為暴風(fēng)載荷。各風(fēng)向如圖1所示，風(fēng)向W4為陸側(cè)角度風(fēng)，W5為海側(cè)角度風(fēng)，W1為大車方向平行風(fēng)。A、B、C、D表示4條門腿位置，以腿壓表示位置大車行走機(jī)構(gòu)所有輪壓之和。文中傾覆力矩滿足W1＞W(wǎng)5=W4。

圖1 風(fēng)向、位置示意

如圖2所示，定義杠桿比

圖2 大車系固位置圖

式中：L1為大車基距，L1=15.7 m；L2為系固離另一側(cè)大車距離，L2=17.99 m。通常系固裝置位于橋吊大車行走機(jī)構(gòu)外側(cè)，即L2＞L1。

以下采用FEA來(lái)進(jìn)行防風(fēng)系固的研究，計(jì)算時(shí)遵循：

1）車輪只能受壓（正值），系固只能受拉（負(fù)值）。

2）自重時(shí)，系固收緊，且剛好不受力。具體FEA計(jì)算中采用link單元，通過(guò)設(shè)置單元預(yù)應(yīng)變來(lái)進(jìn)行控制。輪壓、系固力結(jié)果如表1。

表1 FEA腿壓、系固力 t

因?yàn)橄倒萄b置僅在出現(xiàn)負(fù)輪壓時(shí)才需要，由表1可見，W5、W4、W1時(shí)均有顯著的正輪壓，這與防風(fēng)系固的設(shè)計(jì)原則有所矛盾，進(jìn)一步從受力上看，系固與輪壓是一對(duì)內(nèi)力，它們互為反作用，且正輪壓對(duì)系固載荷起了增大作用。可見，系固收緊會(huì)導(dǎo)致輪壓和系固載荷同時(shí)增大，適當(dāng)松弛反而可以釋放正輪壓和系固載荷。

2 松弛設(shè)計(jì)原理

系固通常位于大車外側(cè)且靠近立柱，如圖3所示。自重條件下的垂直變形如圖3a。當(dāng)系固收緊且有側(cè)向風(fēng)載荷時(shí)，由于起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)不是完全剛性的，防風(fēng)系固優(yōu)先、直接承受上拔力。而下部結(jié)構(gòu)的下橫梁、大車行走結(jié)構(gòu)重量此時(shí)無(wú)法參與受力。可以設(shè)想，將B處系固適當(dāng)松弛，B處會(huì)逐漸產(chǎn)生抬腿；直至B處輪壓為0(即消除正輪壓)，如圖3b所示。此時(shí)，下橫梁和大車質(zhì)量起到了抵消上拔力的作用，從而降低了系固載荷。

隨著松弛增加，直至C處也開始抬腿，如圖3c所示。此時(shí)，由于C處的輪壓也參與抵消了上拔力，從而進(jìn)一步降低了B處的系固載荷。

圖3 抬腿示意圖

因此，引入系固松弛與大車抬腿的理念，合理設(shè)計(jì)系固松弛量并允許門腿適量抬起，可以充分依靠正輪壓來(lái)克服上拔力，從而達(dá)到降低系固載荷的目的。

系固松弛定義為當(dāng)自重作用時(shí)系固剛好收緊，以此為初始狀態(tài)，當(dāng)此基礎(chǔ)上的松弛即松弛量。采用結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算FEA時(shí)，考慮僅海側(cè)或海陸側(cè)都有防風(fēng)系固2種情況。通常情況下，海側(cè)角度風(fēng)時(shí)有最大系固載荷，故以下按W5、W4、W1順序做計(jì)算研究。

3 計(jì)算研究

3.1 僅海側(cè)有系固時(shí)

從海側(cè)角度風(fēng)(表2中序號(hào)1)出發(fā)，增加系固松弛量使得海側(cè)抬腿直至B處輪壓剛好為0(表2中序號(hào)2)，此時(shí)陸側(cè)C還有正輪壓，繼續(xù)增大B處系固松弛并直至C處輪壓為0(表2中序號(hào)3)，此時(shí)能得到海側(cè)最小系固載荷。在W4，W5風(fēng)向時(shí)的系固載荷如表2中序號(hào)4、5。表中抬腿是指大車處抬起。

由表2可知：1）海側(cè)角度風(fēng)時(shí)系固適當(dāng)松弛，系固力從601.1 t低至374.0 t，下降了37.8%。這是由于大車剛度較大，系固松弛后，系固載荷下降較快。2）當(dāng)松弛至陸側(cè)輪壓為0時(shí)，從374.0 t進(jìn)一步降到252.6 t，為單側(cè)抬腿時(shí)的67.5%。此時(shí)由于抬2條腿，系固載荷最小，即為252.6 t。此時(shí)系固載荷僅與風(fēng)載傾覆力矩有關(guān)。W4與W5的系固力相等，是因?yàn)轱L(fēng)載傾覆力矩相等。

表2 僅海側(cè)有系固時(shí)的腿壓、系固力、松弛、抬腿結(jié)果

3.2 海、陸側(cè)均有系固時(shí)

同單側(cè)系固時(shí)類似，計(jì)算結(jié)果如表3。由序號(hào)3，4可知，只要B、C抬腿時(shí)，對(duì)應(yīng)海、陸側(cè)系固力之和相同，也就是只與傾覆力矩有關(guān)。

由表3可知：1）當(dāng)設(shè)海、陸側(cè)系固時(shí)，海側(cè)角度風(fēng)時(shí)系固適當(dāng)松弛，最大系固力從581.5 t低至374.3 t，下降了35.6%。同樣是因?yàn)榇筌噭偠容^大，所以系固松弛后，系固載荷下降較快。2）調(diào)節(jié)海、陸側(cè)松弛量，可調(diào)節(jié)海、陸側(cè)系固力，對(duì)于海陸側(cè)系固許用值不同的碼頭，這一可調(diào)特性，給系固設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的靈活性，特殊情況下能使兩側(cè)相等。另外，系固還起到了調(diào)節(jié)腿壓的作用。

表3 海、陸側(cè)均有系固時(shí)的腿壓、系固力、松弛、抬腿結(jié)果

4 簡(jiǎn)化算法

4.1 輪壓關(guān)系

本文岸橋大梁80°時(shí)自重輪壓、暴風(fēng)FEA輪壓結(jié)果如表4所示。

表4 FEA腿壓

4.2 剛度關(guān)系

結(jié)構(gòu)剛度定義為對(duì)于整機(jī)結(jié)構(gòu)，當(dāng)大車A、C、D位置約束，在B處大車軌道面作用垂直載荷F時(shí)，產(chǎn)生垂直變形ΔL，結(jié)構(gòu)剛度為

根據(jù)反力互等，A、C位置大車產(chǎn)生的支反力-F，D處大車反力F；B處系固的垂直變形近似為ΔL/n。式中：n是文前定義的杠桿比。

根據(jù)有限元結(jié)果，僅自重時(shí)，B、C系固位置下?lián)夕=6.5 mm，ΔC=10.2 mm，如圖3a所示。當(dāng)輪壓從有輪壓減為0時(shí)，系固位置的自重變形近似為0。

4.3 簡(jiǎn)化算法

B、C處總輪壓：自重時(shí)設(shè)為B0、C0；W5風(fēng)向時(shí)設(shè)為B1、C1；W4風(fēng)向時(shí)設(shè)為B2、C2。

B、C處系固位置：系固力為FB、FC，自重時(shí)下?lián)夕、ΔC。

1)海測(cè)系固

根據(jù)W5的輪壓，為使海側(cè)系固力最小，即充分利用C處正輪壓，得系固力

設(shè)B、C處松弛為SB、SC，得

與表3中序號(hào)3的松弛44.9 mm相比僅小2.7%。與表3中序號(hào)3的B腿系固力完全一致。

2)陸側(cè)系固

根據(jù)W4的輪壓，為使陸側(cè)系固力最小，應(yīng)使C負(fù)輪壓減為0，得松弛剛好應(yīng)設(shè)為原重力撓度，即

根據(jù)W4輪壓得陸側(cè)系固力

對(duì)比表3中序號(hào)4的C腿系固力214.6 t，僅大2.8%。

綜上可見，簡(jiǎn)化算法與FEA結(jié)果差異小于3%，具有很好的精度。

4.4 調(diào)整

通過(guò)調(diào)整松弛量使得海、陸側(cè)系固載荷可以一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。如海陸側(cè)系固時(shí)，為了使不同風(fēng)向時(shí)，海、陸側(cè)最大系固載荷相等，可增加某處松弛量，降低該處最大系固載荷，且只能采用增加此處松弛量的辦法。具體方法為：將該處松弛增加X(jué)，則此處系固在最大載荷基礎(chǔ)上減少為n·X·k，另一側(cè)的系固最大載荷增加為n·X·k。

5 松弛設(shè)計(jì)

防風(fēng)系固一般采用螺桿設(shè)計(jì)以便于碼頭操作，如圖4a所示。為了實(shí)現(xiàn)松弛量的調(diào)節(jié)，在操作時(shí)，可先收緊再反轉(zhuǎn)操作手柄?？筛鶕?jù)螺距-松弛量的關(guān)系，控制反轉(zhuǎn)角度或圈數(shù)。為了便于檢查松弛量，可在系固聯(lián)板設(shè)一定長(zhǎng)度的長(zhǎng)腰孔，如圖4b所示，反轉(zhuǎn)螺桿使得銷軸頂住長(zhǎng)腰孔下極限點(diǎn)。

圖4 系固設(shè)計(jì)

抬腿量的值近視為n·(Δ-S)。抬腿量多少為合適，可視情況定。一方面抬腿降低錨定插入深度，要視碼頭錨定坑的深度是否足夠，否則影響傳遞大車軌道方向水平力。而輪緣是否能脫離軌道，此時(shí)要視結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足夠，必要時(shí)可以考慮加高大車輪緣。

6 結(jié)論

系固操作時(shí)理論上不應(yīng)收緊。系固收緊是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的誤區(qū)，因?yàn)槭站o導(dǎo)致了系固載荷的額外增加對(duì)起重機(jī)安全不利。其載荷與結(jié)構(gòu)剛度和松弛程度有關(guān)，調(diào)節(jié)松弛量可以調(diào)節(jié)系固載荷分布，并可以降低最大系固力。

本文的簡(jiǎn)化算方法建立了系固載荷與結(jié)構(gòu)剛度、幾何尺寸、輪壓、松弛量的定量關(guān)系，且具有滿意的精度，適合工程應(yīng)用。

另外，研究發(fā)現(xiàn)大車摩擦力的作用有利于降低最大系固力，抗傾覆裝置則能顯著降低最大系固力?？紤]到它們受墊塊間隙，摩擦系數(shù)的影響較大，且計(jì)算分析復(fù)雜，一般情況下不作考慮，可視作安全儲(chǔ)備。