（机械设计及理论专业论文）集装箱正面吊吊臂优化设计研究.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文 摘要 随着国际贸易激烈竞争，货物运输的模式有了很大的改变，竞争以及规模经营的结果， 促进了集装箱正面吊运起重机技术的发展与提高。 本文在建立集装箱正面吊仿真模型的基础上，对直臂与曲臂这两种吊臂进行了运动学 分析与有限元分析的同时，对弯曲吊臂的结构进行了直接优化分析，得出以下结论： 1 对正面吊直臂结构的运动学分析与有限元计算，分析表明直臂结构简单，截面小， 自重轻。在作业性能方面，直臂不能跨箱作业，只能按照常规的吊装方法，进行逐个吊装， 工作效率较低。 2 通过弯曲吊臂的运动学分析表明，曲臂不仅能正常吊装作业，而且可以跨箱作业 和在码头直接吊运船上的集装箱，其效率极高，具有良好应用发展前景。 3 对弯曲吊臂的有限元分析表明：在相同的幅度和起重量下，其悬臂较长，增加了 结构的承载力要求，其截面较普通直臂大，自重亦大。研究表明在吊臂的以下处：基本臂 前端滑块、基本臂与伸缩臂末端连接处的截面突变处、突变处至基本臂油缸铰耳之间的上 下翼板处，应力较大。 4 对弯曲吊臂进行了直接优化分析。通过对应力较大区域进行板加厚、对应力较小 区域进行减小板厚以及对于截面突变处的加强板适当加长的方法，使得吊臂的应力与自重 显著的降低，达到了设计的要求。本文对于弯曲吊臂优化前后的应力、应变、位移云图的 对比及在长度方向上的应力具有代表性的上下翼板边线的应力图进行了对比，说明曲臂的 优化是良性的，并较好的利用了材料的性能。因为曲臂不同于普通的直臂计算，目前还没 有比较好的理论计算方法，本文采用有限元对曲臂进行的基本力学分析，得出了一些对设 计开发有益的结论。 随着中国经济的发展以及对外贸易的飞速发展，开发具有本国自主知识产权的高性能 集装箱正面吊具有很大的经济和社会效益。 关键词：集装箱正面吊，直臂，弯曲臂，有限元分析，运动分析 a b s t r a c t _-_-_一一一 a b s t r a c t a l o n gw i t hi m p e t u o s i t yc o m p e t i t i o ni ni n t e r n a t i o n a lt r a d e ，t r a n s p o r tm o d e lo ff r e i n g t a g e h a sp r o d i g i o u s sc h a n g e s ，c o m p e t i t i o na n dt h er e s u l t so fs c a l ew o r l ( i n g i n gt h et e c h n o l o g yo f r e a c hs t a c k e rh a st h ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n ta tv e r yf a s ts p e e d i nt h i sp a p e ra tb a s e de s t a b l i s h m e n to fr e a c hs t a c k e rs i m u l a t i o nm o d e l s ，u s e dt h et h e o r yo f k i n e m a t i ca n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a v ea n y l y z e dt h es t r a i g h t i n gb o o ma n db e n d i n g b o o mo f r e a c hs m c k e r ，a l s oo p t i m i z i n gt h es t r u c t u r eo f t h eb e n d i n gb o o md i r e c t l y , g e t c o n c l u s i o n sa r ef o l l o w i n g ： b yt h ek i n e m a t i ca n a l y s i sa n df m _ i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rs t r a i g h t i n gb o o m ，t h ea n a l y s i s s h o w st h a ts t r a l g h t i n gb o o mi sas i m p l es t r u c t u r e ，s m a l lc r o s s s e c t i o n ，m a s sl i g h t ，i n p e r f o r m a n c e ，t h es t r a i g h t i n gb o o mc a n tw o r kw i t hs p a r r i n gc o n t m n e r , b u to n l yc a r lw o r ki nt h e n o r m a lm e t h o d s ，s oi ti si n e f f i c i e n c y b yt h ek i n e m a t i ca n a l y s i sf o rb e n d i n gb o o m ，s h o w st h a t t h eb e n g d i n gb o o m c a r ln o to r n y w o r kw i 廿1t h en o r m a lo p e r a t i o n s b u ta l s oc a nw o r k 、v i 也s p a r r i n gc o n t a i n e ra n dt r a n s p o r tt h e c o n t a i n e rf r o ms h i pd i r e c t l yi nah i g he f f i c i e n c y s oi th a sag r e a td e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n b y t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rb e n d i n gb o o m , s h o w st h a ti nt h es a n l ea m p l i t u d ea n d l i f t i n gw e i g h t ，i th a sal o n g e rc a n f i l e v e r ，s oi ti n c r e a s e st h eb e a r i n gw e i g h to f s t r u c t u r e ，h a s b i g g e rc r o s s s e c t i o n m o r eh e a v yd e a d1 0 a d s t u d i e ss h o wt h a tt h eb o o mi nt h ef o l l o w i n g s e c t i o n so f b o o mh a v eg r e a ts t r e s s ：t h es l i d eb l o c ki nt h ef r o n to f b a s i cb o o m ，t h ec r o s s s e c t i o n o f t h ei n c r e a s i n gs h a r p l yb e t w e e nt h eb a s i cb o o ma n dt h ee x p a n s i o nb o o m ，b e t w e e nt h eu p p e r a n dl o w e rw i n gp a n e l o p t i m i z e st h eb e n d i n gb o o md i r e c t l y t h r o u g ha d d i n gt h i c k n e s sp a n e l st og r e a t e rs t r e s s r e g i o n a l ，r e d u c i n gt h et h i c k n e s so f p l a t ef o rs m a l l e rs t r e s sr e g i o n a l ，a n dl e n g t h e n i n gt h e s t r e n g t h e n i n gp l a t ea tt h ec h a n g e ds h a r p l yc r o s ss e c t i o n , m a k e st h es t r e s so f b o o ma n dd e a d w e i g h t ，r e a c h e st h er e q u i r eo f t h ed e s i g n 删st h e s i sc o m p a r e st h ec l o u dp i c t u r eo f s t r e s s 。s t r a i n a n dd i s p l a c e m e n t s h o w st h a tt h eo p t i m i z a t i o no f b e n d i n gb o o mi sg o o d t h i st h e s i sa p p l i e s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h eb e n d i n gb o o m ，o b t a i n ss o m eg o o dc o n c l u s i o nf o rt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n t a st l ed e v e l o p m e n to f c h i n ae c o n o m i ca n di n t e r n a t i o n a lt r a d e i th a sl a r g ee c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i tt od e v e l o pd e r r i c ks t a c k e ro fo u ro w n p r o p e r t yr i g h t k e y w o r d s ：d e r r i c ks t a c k e r , s t r a i g h tb o o m ，b e n d i n gb o o m ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， k i n e m a t i ca n a l y s i s i i 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章概述 1 1 集装箱正面吊运起重机的发展与特点概述 自2 0 世纪6 0 年代美国开始集装箱运输以来，货物运输的模式已有了很大的改变，集 装箱运输发展迅猛，不但海上集装箱运输年年递增，铁路和公路集装箱运输也是高速发展， 2 0 0 2 年我国主要港口集装箱年吞吐量就已经达到3 1 0 0 万标准箱，因此对集装箱装卸设备 需求越来越大i i j 。总的来说，国际贸易带动了集装箱装卸机械的发展，航运界的激烈竞争 促进了集装箱船朝大型化发展、加速了港口集装箱机械的更新换代。 集装箱装卸设备主要包括：集装箱龙门起重机( 图1 1 ) 、港口岸边集装箱起重机( 图 l 一2 ) 、集装箱叉车( 图1 3 ) 、集装箱跨运车( 图1 - 4 ) 、集装箱正面吊运起重机等。 图1 - 1 集装箱龙门起重机 f i g 1 1c o n t a i n ep o r t a lg a n t r y 图1 - 3 集装箱叉车 f i g 1 3c o n t a i n e rf o r k l i f t 图1 - 2 港口岸边集装箱起重机 f i g 1 2c o n t a i n e r b a n kc r a n e 图1 4 集装箱跨运车 f i g 1 4c o n t m n e ra l t e r n a t ec r a n e 第一台集装箱正面吊运超重机由b e l o t t i 公司于1 9 7 5 年研制成功并投放市场。在其后 第1 章绪论 至今的2 0 多年中，大致经历了三个发展阶段：从问世到8 0 年代中期为推广应用阶段，大 多潜在的用户没有认识到其优越性，仍然选择叉车作为集装箱装卸、堆码和水平运输的专 用机械，其本身技术发展也比较缓慢；8 0 年代中期到9 0 年代初，进入稳定发展阶段，其 优势逐渐被认识，一些知名叉车和轮胎式起重机生产商开始研制和批量生产正面吊运机， 正面吊运机本身的技术性能也得以提高1 2 j ；9 0 年代以来，进入技术成熟和高速发展阶段， 大批知名叉车和轮胎式起重机生产商进入集装箱正面吊运起重机市场，竞争以及规模经营 图l 一5 f e r r a m 集装箱正面吊运起重机图1 - 6 t e r e x 集装箱正面吊运起重机 f i g 1 5 f e r r a r i c o n t a i n e r r e a c hs t a c k e rf i g 1 6 t e r e x c o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r 的结果不断促进集装箱正面吊运起重机技术的发展与提高。 世界上生产集装箱正面吊运起重机的厂家主要集中在欧洲，如意大利、瑞典、德国等， 意大利的f a n t u z z i 、瑞典的k a l m a r 、德国的l i n d e 都是较大的制造厂【3 】。美国的h y s t e r 是 大型叉车生产企业，其集装箱正面吊运机的生产基地也设在位于欧洲的英国分公司。 我国从1 9 8 3 年开始起步研制，1 9 8 5 年底由交通部水运科学研究所和广州港机厂联合 试制成功了第一台j d 4 0 集装箱正面吊运起重机，起重能力为4 0 t ，填补了国内空白。于 1 9 9 1 年研制成功s t 4 0 0 正面吊运机。1 9 9 3 年交通部水运科学研究所与深圳招商局机械工 程有限公司合作，对s t 4 0 0 进行改型设计形成新型集装箱正面吊运起重机r s 4 0 - - 4 h ( 可 在第一列堆码4 层箱) ，后又合作开发了可在第一列堆码5 层箱的h r s 4 5 h 集装箱正面 图l - 7l i n d e 集装箱正面吊运起重机 f i g 1 7l i n d ec o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r 图1 8h y s t e r 集装箱正面吊运起重机 f i g 1 8h y s t e rc o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r 大庆石油学院硕士研究生学位论文 吊运起重机。大连叉车总厂在2 0 0 2 年6 月也生产出4 5t 级集装箱正面吊运起重机，由于 国产化比重低以及设计、制造和售后服务中存在的问题影响了国内正面吊的发展。 图1 - 9 广州港机实业公司集装箱正面吊运图1 1 0 大连叉车总厂集装箱正面吊运起重 起重机机 f i g 1 9g u a n g z h o u p o r tm a c h i n e r yi n d u s 廿y f i g1 - 1 0d a l i a nf r o k l i f tc o r p c o n t a i n e rr e a c h c o r p c o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r s t a c k e r 在集装箱装卸、堆码和水平运输的专用机械方面，集装箱正面吊运机和集装箱正面叉 车具有可比性。虽然通常认为集装箱正面吊运起重机与集装箱正面叉车相比具有诸多优 势，但是集装箱正面吊运起重机并没有完全取代集装箱正面叉车，目前大约各占市场份额 的一半【4 】。原因在于，一方面这两种机械本身的性能均在不断发展提高之中，对集装箱正 面吊运起重机的优势有一个认识的过程；另一方面，集装箱正面吊运起重机体现出的优势， 与生产实际中对这种优势的需求紧迫性之间的相关程度在发展中陋l 。目前，这两种机械的 售价和营运成本的差别不大，在集装箱正面吊运起重机和集装箱正面叉车之间做选择的关 键是在集装箱正面吊运起重机不断提高的堆码密度和集装箱正面叉车较好的择箱能力之 间做出选择。近年来，全球集装箱运输持续快速增长导致对码头或中转站集装箱堆场容量 需求增大；电子数据交换技术的应用又使得堆场计划工作有了很大的改进，有必要也有可 能提高集装箱堆码密度；此外，多式联运不断发展铁路和公路中转站增多导致对集装箱装 卸、堆码和水平运输的专用机械的需求增大，因此集装箱正面吊运起重机的市场需求相应 增大。 集装箱正面吊运起重机的臂架是伸缩型的，可跨箱作业，集装箱可以四至六列堆放； 集装箱正面叉车的门架固定，不能跨箱作业，集装箱只可两列堆放。集装箱正面吊运起熏 机的吊具可以旋转，作业时行走方向不用与集装箱长度方向垂直，装卸搬运4 0 f t 集装箱 时的最小通道宽度为l l m 左右，堆场面积利用率高达4 8 ；集装箱正面叉车的吊具不能 旋转，作业时行走方向必须与集装箱长度方向垂直，装卸搬运4 0 f l 集装箱时的最小通道 宽度在1 4 m 以上，这样正面叉车的堆场面积利用率只有2 6 。1 9 9 4 年港口堆场的造价一 般为5 0 0 8 0 0 r m b m 2 ，对于年吞吐量1 0 0 0 0 t e u 的港口，采用集装箱正面吊运起重机装 卸搬运工艺方案可比集装箱正面叉车方案节省堆场面积4 3 6 3m 2 ，节省堆场投资2 2 0 3 5 0 万元。集装箱正面吊运起重机的臂架可伸缩和变幅，吊具可横向移动和旋转，装卸对箱时 只需操作臂架和吊具而不用移动车子，生产效率可高达3 8t e u h ；集装箱正面叉车不能 横向移动及旋转，在装卸时只有靠移动车子对箱位，生产效率仅为3 2t e u h 。 第1 章绪论 集装箱正面叉车的门架固定，吊具只能上下移集装箱。正面吊运起重机与集装箱正面 叉车相比，它具有机动灵活、稳定性好、具有更好的前方视野，其作业幅度大，可隔排吊 箱，也可沿一定角度吊箱，使集装箱正面吊运起重机能适应狭窄通道作业和堆场利用率高 等优点，并可完成集装箱装卸、堆码和水平运输。集装箱正面吊运起重机可在中小港口、 铁路中转站和公路中转站作为主要集装箱装卸搬运设备使用，也可在大型集装箱专用码头 作为辅助设备使用。 1 2 目前的研究与生产情况 意大利c v sf e r r a r i 公司为了尽可能满足各种装卸作业的需要，将原有的正面吊底盘 的轴距从6 5 米放大到7 米，以满足跨箱作业的需要。该公司的正面吊可以把集装箱重货 从月台吊装到第二道轨( 中间隔开一条铁轨) 车皮上，或者从岸壁吊装到驳船第三排上( 约有 9 5 米距离) l 。在驳船的起重吊装场合，为了平衡机器的重心，防止在吊装时倾覆，在 正面吊底盘前端加装了由液压系统操纵的( 支) 撑( 柱) 脚，机器行走时撑脚自动收上去，当 吊装作业需要时随时可以放下来。为了加强吊杆的强度，该公司将其改为由4 块钢板焊接 制成的方形柱，并将弧形钢板的焊接改成埋弧焊，以保证其强度。在操作的可靠性方面， 该厂引进了c a n b u s 控制技术( c a n b u s 系英文c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k b u s 的缩写) ，沟通 设备的不同控制单元，以保障操纵的安全。例如，正面吊的齿轮的换档由c a n b u s 系统控 制，一旦发生齿轮挂不上档，则有一个旁路的手动挂档可以用；吊杆的扭力锁紧装置如果 不能锁紧，系统中的旁路开关容许操作员越过c a n b u s 系统直接按下电磁阀加以锁紧。该 厂还在正面吊操纵室内配置彩色液晶显示器、变速旋转液压泵、液压负载传感器电子控制 电路等m 【8 1 。 图l - 1 1k a l m a r 集装箱正面吊运起重机 f i g 1 1ik a l m a rc o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r 图1 1 2s m v 集装箱正面吊运起重机 f i g 1 1 2s m vc o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r k a l m a r 公司和c v sf e r r a r i 公司一样，也正在不断地改进他们的集装箱正面吊运起重 机，其c o n t c h a m p 系列集装箱正面吊运起重机( 图l 一1 1 ) 的底盘轴距统一为7 5 米，装备 了电子控制的t w d1 2 4 0 v e t i e r 2 型发动机，采用嵌入式电脑控制，可在更大范围内对本机 大庆柏油学院硕士研究生学位论文 的作业和维修进行控制。新型的c o n t c h a m p 集装箱正面吊运起重机可以选择配置，可以 象集装箱重型叉车那样，使用于多种用途( 既可用于集装箱，也可用于木材和其它货物) 的装卸，或者选配装卸驳船集装箱用的附加部件，包括可伸缩的延长吊杆，在吊杆和液压 支柱之间加装了横梁，使液压支柱在需要时可以收缩得很低，足以将向上倾斜的吊杆调整 到向下倾斜的位置，适用在吊装( 驳船上) 低于地面集装箱的场合一j 。c o u t c h a m p 型号的 集装箱正面吊运起重机是理想的岸壁式集装箱起重机的替代设备。非常适用于吞吐量不大 的内河码头集装箱站。它可以吊起荷载重心距离支撑柱脚9 1 5 米远的2 5 t 重箱集装箱。 它比岸壁式起重机有更大的灵活性，因为没有驳船作业时，可以用于站内的任何地点作业。 即使在大型忙季节的备用设备，或者在大型机械处于维修保养时代替使用。 瑞典制造商s m v 是正面吊用于吊装驳船集装箱创意的首创者。该公司生产的集装箱 正面吊运起重机( 图1 - 1 2 ) 轴距达9 米，相应的平衡力也较大。在吊杆和液压支柱之间 装有增设部件，以适用于地面以下( 即驳船) 货物的装卸。该厂的集装箱正面吊运起重机 的操纵驾驶室布置在设备的中央，装卸驳船集装箱时，操作人员可以通过液压系统将操 纵室推向前面，这有助于改善操作人员在码头边的视野。当机械在从事集装箱堆高作业时， 则可以将操纵室退向后面。为了增加装卸驳船集装箱时的安全性，在集装箱正面吊运起重 机的前部加装了激光系统。 在码头的边上，需另外安装一条装有反射镜的轨道，当集装箱正面吊运起重机上的激 光测距器探测到机械和码头边缘的距离不足5 米时，机械会自动减速，到达1 5 米距离时 自动停止，不能向前移动。为了改善装卸驳船集装箱时的观察角度( 由于驳船上的集装箱 紧靠码头，操纵室内操作工的肉眼难以观察到) ，在集装箱正面吊运起重机的两根液压支 撑柱上装有两只摄像头。另有一只摄像头安装在正面吊的尾部。操作人员在操纵室内通过 显示器屏幕就可以观察到现场实况。s m v 公司型号s c 4 5 4 5t a 3 的正面吊在德国的一个 小港口使用中，年处理量从8 0 0 0 t e u 到1 0 5 0 0 t e u ( 当处理量达到2 5 0 0 0 t e u 时可考虑安 装岸壁式吊机) 。- 4 , 时可处理1 5 4 2 0 只集装箱，包括从驳船吊到码头、堆装、翻箱分类 和装上卡车等。 图1 - 1 3 ( m e c l i f t ) 集装箱双臂侧面吊运起重图l 一1 4 ( o r m i g ) 集装箱双臂正面吊运起 机 重机 f i g 1 1 3 ( m e c l i f n c o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r f i g1 - 1 4 ( o r m i g ) c o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r 常规集装箱正面吊运起重机不进行船舶装卸作业，主要用于集装箱水平运输设备的装 卸、集装箱的水平运输以及在场地上的集装箱堆码作业。近年来，集装箱正面吊运起重机 常规集装箱正面吊运起重机不进行船舶装卸作业，主要用于集装箱水平运输设备的装卸、 第1 章绪论 集装箱的水平运输以及在场地上的集装箱堆码作业【i 引。近年来，集装箱正面吊运起重机 生产商为适应生产实际的需要，不断提出并实现适应驳船集装箱装卸的集装箱正面吊运起 重机设想。如b e l o t t 在b 9 3 型集装箱正面吊运起重机基础上发展的b 9 3 c s p 4 5 型集装箱 正面昂运起重机，其臂架端部可向下俯3 6 5 m ，在7 5 0 0 m m 中心距下，起重能力为3 0 t 从而可用于装卸积载3 列集装箱的驳船。k a l m a r 可以装卸驳船的d r d 4 5 0 7 0 s 5 x s 型集 装箱正面吊运起重机是其d r d 4 5 0 型集装箱正面吊运起重机的改进型，主要改进是增设 液压系统控制司机室的升降，以改进装卸船作业时司机的观察条件；在臂架端部与吊具旋 转机构之间增设长16 0 0 r a m 的垂头，使得集装箱正面吊运起重机可以装卸顶面位于码头 面水平以下约1 8 0 0i t l n 的驳船上的集装箱。e m s l a n dg v z 的s c 4 5 4 5 t a 3 型集装箱正面吊 运超重机，臂架端部可以下俯2 3 m ，从而可以对积载2 或3 列集装箱的驳船进行装卸作 业，该机通过液压系统实现司机室囱底盘前部的移动，并通过摄像机机和监视屏辅助司机 进行对箱作业，此外，还通过激光发射机和检测器系统实行对集装箱正面吊运起重机行走 的控制，保证集装箱正面吊运起重机运行到距离岸壁边缘1 5 m 时自动停车。此外，还有 o r m i g 的双臂架集装箱正面吊运起重机( 图1 - 1 4 ) ，两个臂架可以协同作业也可以单独作 业，液压油缸和连杆的构造允许在臂架长度不变的情况下实现集装箱的水平或上下移动， 从而优化了机械性能、减少了作业时间；在该公司设计中也注重人体工程学方面的要求， 由于操作工需要长时期地连续工作，注意力要高度集中，在操作中既要准确又要安全，在 操纵室的设计中充分考虑了操作工人的方便和舒适，操纵室可向前和向后两个方向移动。 内部的座椅是可以调节的、并能吸收震动。操纵室隔音良好，减少噪声效果明显。这点也 是该公司产品畅销的原因之一。k a l m a r 交付美国军方的适应在复杂的地形条件下使用的 集装箱正面吊运起重机，即所谓的r o u g h t e r r a i n c o n t a i n e r h a n d l e r ( r t c i d ，使集装箱正面 吊运起重机的使用范围不再仅仅局限在码头或者多式联运站场。 图1 - 1 5 ( i s o l o a d e r ) 集装箱正面吊运 ( 特殊车架) 起重机 f i g 1 1 5 ( 1 s o l o a d e r ) c o n t a i n e rr e a c h s t a c k e rf s p e c i a lc h a s s i s ) 图1 1 6 ( m e c l i f t ) 集装箱双臂正面吊运 ( 驾驶室可升降) 起重机 f i g1 1 6 ( m e c l i f t ) c o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r ( l i f t i n gc a b ) 从事离岸工程和大型设备运输的公司t o n s b e r ge n g i n e e r i n g a s 近年来致力于叉车和 正面吊运机的创新，将一些在离岸工程和大型设备运输方面的成熟技术和方法引进到正面 吊运机上，最近该公司发布了其新型正面吊运机( 图1 一1 5 、l 一1 6 ) 。正面吊运机与常规正 面吊运机和大型叉车相比较，既有高得多的堆码密度，要求的通道宽度3 l , b 得多，既可以 装卸驳船，也可咀在多式联运站场上跨车道进行装卸车作业。 l i e b h e r r 集装箱正面吊运起重机l r s 6 4 5 ( 图1 1 7 ) 设计用来吊装重量不超过4 5 公t 6 大庆石油学院硕1 研究生学位论卫 的集装箱，第一行集装箱可以堆垛6 层，对于高4 乘宽3 的堆垛，l r s 6 4 5 可以在无需先 卸下第行最顶上集装箱的情况下，卸下第二行最上面的集装箱。对于高3 乘宽3 的堆垛， 此令人震惊的伸长量甚至可以达到第三行最上面的集装箱。独一无二的曲线伸缩式动臂意 味着无与伦比的可达性和额外的堆垛空间。其他突出的特点包括在无需专用动臂加长装置 的情况下进行地面以下的集装箱装卸；另外，流体静力学传动装置实现了舒适的行走与最 高的效率。 图l - 1 7l i e b h e r r 集装箱正面吊运起重机 f i g 1 - 1 7l i e b h e r rc o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r 1 3 集装箱正面吊运起重机的基本结构与作业特点 集装箱正面吊运起重机由工程机械底盘、伸缩臂架、集装箱吊具等三部分组成，底盘 有发动机、动力换档变速箱、前桥、后桥、转向系统、驾驶室、车架、配重、车轮等部件； 伸缩臂架有伸缩油缸、俯仰油缸、臂架等部件；集装箱吊具有旋转机构、上架、联接架、 底架、伸缩架、伸缩油缸、防摇油缸、侧移油缸、旋锁油缸等部件。 集装箱正面吊运起重机整个底盘结构一体化，没有支腿。采用高强度钢材制造，具有 较高的强度和刚度，增加了车架的抗扭能力、抗振能力和行车安全性。 苎! 兰竺堡 - - _ _ j h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一一 车架和吊臂均采用箱型焊接刚性结构，材料为欧洲优质钢材f e 5 1 0 d 或f e 5 2 。车架具 有足够的强度和刚度以抵抗纵向、横向和扭转冲击载荷；车架设计和结构布局合理， 各种工况下均具有良好的纵向和横向稳定性，还考虑了各部件检查、维修、更换的便利性。 么 l i 畦确 4 5 i2 7 t1 a l 图1 1 8 集装箱正面吊运起重机堆垛示意图 f i g 1 一1 8s t a c k i n gs k e t c hm a d f o rc o n t a i n e rr e a c hs t a c k e r 伸缩吊臂具有足够的强度和剐度，焊缝数量不多于两条。臂架分为内外臂架，在外臂 架的前下端和内臂架的后上端，装配了设计新颖的平衡式滚轮装置，与滑块式支撑相比， 具有受力均匀，伸缩阻力小，减少磨损等特点。 主要钢结构采用数控下料，抛丸除锈，二氧化碳半自动焊接，使钢结构的焊接变形控 制到最小。集装箱正面吊运起重机的臂架是伸缩型的，一般为两节臂，不需要接臂和拆臂， 缩短了辅助作业时间。臂架全部缩回以后，起重机外形尺寸减小，提高了机动性和通过性。 臂架采用液压伸缩机构，可以实现无级伸缩和带载伸缩，扩大了在复杂使用条件下的使用 功能，可跨箱作业。按吊臂型式分单臂型和双臂型，按吊起集装箱种类分重箱正面吊、空 箱正面吊和侧面吊，重箱一般可堆高5 4 3 层( 指第1 排5 层，第2 排4 层，第3 排3 层) ( 图1 1 8 ) ，空箱可堆高6 5 4 层。集装箱正面吊运起重机换用不同吊具，可实现 整体吊装或夹木材。在箱重较轻时，还可纵向吊箱。集装箱正面吊运起重机的吊具可旋转， 作业时行走方向不用与集装箱长度方向垂直，吊臂可伸缩和变幅，吊具可横向移动和旋转， 装卸对箱时只需操纵吊臂和吊具，不用移动整车，生产率可达3 8 标准箱, b 时。 集装箱正面吊运起重机可附带各种工具，用途广泛。在吊具上安装吊爪后，可连集装 箱半挂车一起吊起，一般用于转运站将集装箱和集装箱半挂车装上铁路平板车，或从铁路 平板车上卸下再从公路转运。加装吊钩后，可以装卸其他重大件货物。加装木材抓斗，可 作为木材装卸设备使用。与叉车相比，堆场面积利用率也可提高8 0 。 1 4 课题的来源、目的、意义 1 4 1 课题的来源与目的 课题来源于与北京建筑机械化研究院合作申报的国家“十一五”重大项目一物流起 重设备的基础研发。目的是通过深入的基础研究，开发具有独立知识产权的与港口码头集 装箱物流配套的集装箱正面吊运起重机。为国家经济和物流运输提供先进的作业设备。 起重臂是集装箱正面吊运起重机的主要组成部件。其作用是起重臂的仰角与臂的伸缩 的协同幅度变化，运输与码垛集装箱。本研究的重点在于研究弯曲型起重臂优化的基本结 构形式，以提高集装箱正面吊运起重机的适用范围和作业效率，为开发合理的集装箱正面 大庆石油学院硕士研究生学位论文 吊运起重机提供依据。 1 4 2 课题的内容与意义 采用机械三维设计、部件动态分析、结构有限元优化的仿真手段，建立集装箱正面吊 运起重机的实体模型；通过改变起重臂结构、材料等边界条件，研究与寻求集装箱正面吊 运起重机其设计规律。详细内容为： 1 分析集装箱正面吊运起重机的发展情况与趋势，以确定研究方向； 2 深入了解集装箱正面吊运起重机的工作机理，研究与分析直臂型起重臂的结构，深 入探讨关于直臂结构参数等的力学特性； 3 研究与分析弯曲型起重臂的结构，深入探讨关于弯曲型起重臂结构参数的力学特 性： 4 比较分析结果，得出结论，确定弯曲型起重臂结构优化设计。 1 4 3 课题的基础工作 1 广泛查阅国内外资料，了解集装箱正面吊运起重机的实际应用情况，通过对比分 析，了解各种起重臂的相对特点、优势及其发展趋势； 2 通过现场实践，掌握集装箱正面吊运起重机的结构特点、基本工作原理等方面的 知识。 3 学习相关振动机械设计的基本原则、设计计算理论、材料选择、结构要求等方面 的基本知识。 4 学习与运用三维工程设计软件，对集装箱正面吊运起重机及起重臂进行实体建模。 5 以4 5 t 的集装箱正面吊运起重机为例，确定起重臂的参数，并对其进行运动分析 及力学分析。 1 5 小结 1 、本章对国内外集装箱正面吊运起重机的发展进行了综合叙述和分析： 2 、对集装箱正面吊运起重机起重臂的基本结构特点进行分析，确认弯曲型起重臂研 究的必要性； 3 、明确了研究所需的基础工作与研究内容。 9 第2 章集装箱正面吊吊臂的结构形式与起重特性 第2 章集装箱正面吊吊臂的结构形式与起重特性 2 1 集装箱及其参数 所谓集装箱，是指具有一定强度、刚度和规格专供周转使用的大型装货容器。使用集 装箱转运货物，可直接在发货人的仓库装货，运到收货人的仓库卸货，中途更换车、船时， 无须将货物从箱内取出换装。按所装货物种类分，有杂货集装箱、散货集装箱、液体货集 装箱、冷藏箱集装箱等；按制造材料分，有木集装箱、钢集装箱、铝合金集装箱、玻璃钢 集装箱、不锈钢集装箱等；按结构分，有折叠式集装箱、固定式集装箱等，在固定式集装 箱中还可分密闭集装箱、开顶集装箱、板架集装箱等；按总重分，有3 0 t 集装箱、2 0 t 集装 箱、1 0 t 集装箱、5 t 集装箱、2 5 t 集装箱等。 集装箱( 又称货柜) 的种类： ( 1 ) 按规格尺寸分，目前，国际上通常使用的干货柜( d r y c o n t a i n e r ) 有： 2 0 尺柜：内容积为5 6 9 m 2 1 3m x 2 1 8m ，配货毛重一般为1 7 5 t ，体积为2 4 2 6 m 3 ： 4 0 尺柜：内容积为儿8m 2 1 3m 2 1 8m ，配货毛重一般为2 2 t ，体积为5 4 m 3 ； 4 0 尺高柜：内容积为1 1 8i t i 2 1 3m 2 7 2m ，配货毛重一般为2 2 t ，体积为6 8 m 3 ： 4 5 尺高柜：内容积为1 3 5 8 m 2 3 4 m 2 7 1 m ，配货毛重一般为2 9 1 ，体积为8 6 l n 3 ； 2 0 尺开顶柜：内容积为5 8 9i - l l 2 3 2i l l 2 - 3 1m ，配货毛重2 0 t ，体积3 1 5 m 3 ； 4 0 尺开顶柜：内容积为1 2 0 1m 2 3 3i l l 2 1 5m ，配货毛重3 0 4 t ，体积6 5 m 3 ： 2 0 尺平底货柜：内容积5 8 5i i l 2 2 3m 2 1 5m ，配货毛重2 3 t ，体积2 8m 3 ： 4 0 尺平底货柜：内容积1 2 0 5m 2 1 2t l l 1 9 6m ，配货毛重3 6 t ，体积5 0 m 3 。 ( 2 ) 按制箱材料分：有铝合金集装箱、钢板集装箱、纤维板集装箱、玻璃钢集装箱。 ( 3 ) 按用途分：有干集装箱、冷冻集装箱( r e e f e rc o n t a i n e r ) 、挂衣集装箱( d r e s s h a n g e rc o n t a i n e r ) 、开顶集装箱( o p e n t o p c o n t a i n e r ) 、框架集装箱f f l a tr a c k c o n t a i n e r ) 、罐式集装箱( t a n kc o n t a i n e r ) 等。 集装箱外尺寸( c o n t a i n e r so v e r a l le x t e r n a ld i m e n s i o n s ) 是指包括集装箱永久性附件在内 的集装箱外部最大的长、宽、高尺寸。它是确定集装箱能否在船舶、底盘车、货车、铁路 车辆之间进行换装的主要参数。是各运输部门必须掌握的一项重要技术资料。 集装箱计算单位( t w e n t y f e e te q u i v a l e n tu n i t s 简称t e u ) 又称2 0 英尺换算单位，是 计算集装箱箱数的换算单位。目前各国大部分集装箱运输，都采用2 0 英尺和4 0 英尺长的 两种集装箱。为使集装箱箱数计算统一化，把2 0 英尺集装箱作为一个计算单位，4 0 尺集 装箱作为两个计算单位，以利统一计算集装箱的营运量。 2 2 正面吊主要技术参数 集装箱正面吊是一种能在一定范围内垂直起升和水平移动集装箱的起重运输机械，动 作间歇性和作业循环性是其工作的特点。 集装箱正面吊属于箱形臂轮胎起重机。主要技术参数有：起重量、起升高度、幅度、 机构工作速度、生产率、起重力矩及最小转弯半径。 大庆石油学院硕十研究生学位论文 起重量：起重机正常工作时允许一次起升的最大质量，不包括吊具的重量，其常用符 号为q ，单位为t 。 起升高度是指从地面到集装箱起吊梁下平面的铅垂距离，符号为h ，单位为m 。起升 高度随臂架仰角和臂长而变，在各种臂长和不同臂架仰角时可得相应的起升高度曲线。 幅度：臂架式起重机处于水平位置时，起重机机体的最外边至取物中心铅垂线之间的 距离称为有效幅度，符号为r ，单位为m 。 机构工作额定速度：根据作业要求而定，臂架与水平面的夹角从最小变至最大所需时 间称为变幅速度。工作性变幅速度较高，变幅速度按取物装置满载考虑：非工作性变幅速 度一般较低。 生产率：起重机在一定作业条件下，单位时间内完成的运输作业量。对于臂架起重机， 一般取中间幅度对应的额定起重量的计算值，或是最小幅度时的最大起重量或最大幅度时 的最小起重量，符号p 。 起重力矩：是臂架类起重机主要技术参数之一，它等于额定起重量( q ) 和与其相应的 工作幅度( r ) 的乘积，即m = q r ，单位为t m 。额定起重量随幅度而变的臂架类超重机在一 般情况下，最大起重力矩由最大起重量和与其对应的工作幅度决定。如在某一中间幅度和 与此幅度对应的额定起重量产生最大起重力矩。 最小转弯半径：轮胎起重机行驶时，方向盘转到头，外轮至转弯中心的水平距离，单 位以米表示。最小转弯半径与起重机底盘的轴距、轮距( 转向主销中心距) 、转向车轮的 偏转角、转向桥数目等因素有关。最小转弯半径是表征起重机机动性能的参数。 根据起重机设计手册的规定，划分起重机的工作级别是为了对起重机金属结构和 机构设计提供合理的基础。在确定起重机的工作级别时，应考虑两个因素：利用等级与载 荷状态。 利用等级：起重机工作循环总数表征超重机的利用程度，对于流动式起重机，根据起 重机设计手册提供的经验，其利用等级为“。 起重机载荷状态是起蘑机分级的另一个基本参数，它表明起重机的主要机构：起升机 构受载的轻重程度。与其相关的两个因素有关：一是实际起升载荷v t 与额定载荷，m “之 比，另一个是实际起升载荷的作用次数“，与工作循环总数之比，其符号“9 。根据经验 取值，其工况为频繁起吊额定载荷，载荷状态为g ，故其取值为“o 2 0 , 3 。 正面吊的工作状态为繁重作业，由查表可知，其整机工作级别为a 4 级，变幅机构为 m 3 级。 因为正面吊的工作运行较平稳及计算类别和要求，取其正常工作下的载荷，其吊臂结 构安全系数取n = 1 5 。 2 3 正面吊主要特点 正面吊是用于港口码头运输和堆垛集装箱的专用起重机，与一般轮式起重机相比较， 主要特点为： 1 无起升卷扬机构和吊钩，且只有两节伸缩臂。这是对正面吊边行驶边变幅，而且 不允许集装箱偏摆晃动的条件下，快速转运的要求所确定的。 2 无回转机构，且转弯半径小。这是为了合理利用集装箱堆垛场地的同时，保证正 面吊整机稳定性的要求所确定的。 第2 章集装箱正面吊吊臂的结构形式与起重特性 3 短轴距、宽轮胎且无支腿机构。这是为了保证行驶通过性能，充分发挥正面吊 机动性所要求的。 4 动臂油缸后倾。这是为了提高起升高度，且保证吊臂处于水平状态时，吊运大型 集装箱需要较大起升力所要求的。 起重机变幅机构按工作性质分为非工作性变幅和工作性变幅；按机构运动形式分为运 行小车式变幅和吊臂摆动式变幅。非工作性变幅机构只在起重机空载时改变幅度，调整取 物装置的作业位罱，其特点是变幅次数少，变幅时间对起重机的生产率影响小，一般采用 较低的变幅速度。工作性变幅机构用于在带载条件下变幅、变幅过程是