天津港大型岸边集装箱起重机液压提升加高方法研究.pdf

天津港大型岸边集装箱起重机液压 提升加高方法研究 孙远韬 张氢 么学成 阙晓辉 周兆伟 1同济大学机械与能源工程 学院 上海2 0 1 8 0 4 2天津港集装箱码 头有限公 司 天津3 0 0 4 5 6 摘要随着集装箱运输船舶的超大型化 ，多数在役岸边集装箱起重机起升高度将无法适应新的需求，为 适应当前形势并节约码头改造成本，文中对天津港岸边集装箱起重机液压顶升加高方法进行研究，对加高后的 岸边集装箱起重机安全性及提升系统的安全性进行充分研究，给出了液压提升加高过程 ，改造方法合理、有效 且安全 、经济。 关键词岸边集装箱起重机 ；加高；稳定性 ；液压提升 中圈分类号 U 6 5 3 ． 9 2 1 文献标识码 A 文章编 号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 1 2 0 1 1 0一 o 4 Ab s t r a c t W i t h t h e e x t r a l a r g e c o n t a i n e r t r a n s p o r t s h i p，mo s t i n s e r v i c e q u a y s i d e c o n t a i n e r c r a n e s c a n n o t me e t t h e n e w d e m a n d i n r e s p e c t t o t h e h e i g h t o f t h e h y d r a u l i c j a e k ．T o a d a p t t o t h e c u r r e n t s i t u a t i o n a n d s a v e t h e w h a r f r e c o n s t r u c t i o n c o s t ， t h e p a p e r s t u d i e s t h e h y d r a u l i c j a c k h e i g h t e n i n g m e t h o d f o r t h e q u a y s i d e c o n t a i n e r c r a n e a t T i a n j i n P o r t ， a n a l y z e s t h e s a f e t y o f t h e h e i g h t e n e d q u a y s i d e c o n t a i n e r c r a n e a n d t h e l i f t i n g s y s t e m ，a n d d e s c r i b e s h e i g h t e n i n g p r o c e s s o f t h e h y d r a u l i c j a e k ．T h e i m p r o v e m e n t m e t h o d i s r e a s o n a b l e ， e f f e c t i v e ， s a f e ， a n d e c o n o m i c a l l y e ffic i e n t ． K e y w o r d s q u a y s i d e c o n t a i n e r c r a n e ； h e i g h t e n i n g ；s t a b i l i t y ； h y d r a u l i c j a c k 0 引言 天津港是我 国沿海 主枢纽 港和综合运输 体系 的重要枢纽 ，是京津冀 现代 化综合交通 网络 的重 要节点和对外 贸易的主要 口岸 ，是华 北 、西北 地 区能源物资和原材料运输 的主要 中转 港 ，是北方 地区的集装箱干线港和发展现代物流的重要港 口。 随着腹地经济 的发展和 自贸区的建设 需要 ，天 津 港将逐步发展成 为设施 先进 、功 能完善 、运行 高 效 、文明环保 的现代 化 、多功 能 的综 合性 港 口。 与此同时，随着 3 E级 3 E级即具备更大的规模 经济 、能 源效率 和环保 绩效 1 8 0 0 0 T E U集 装箱 船 这类超 大型集装箱船 的出现 ，使得集装箱 在船舶上的堆放高度不断增加 J 。而英 国劳 氏船 级社和两大集运公司针对规模经济效益研究显示 ， 在未来几 年 内，2 2 0 0 0 T E U集装 箱将 投入 运营 ， 2 4 0 0 0 T E U集装 箱 紧随其后 也会 出现 。所 以， 早期岸边集装箱起重机 以下简称岸桥 在起升 高度或外伸距上无法适应新 的需求 ，购置新岸桥 势必增加码头运 营成本 ，并且造成 旧岸 桥的资源 浪费 ，为 了节约港 口企业成本 和 目前 自贸区及未 来港 口发展 的需 要 ，天津港 口考虑采用 岸桥起升 高度加高技术来解决 当前问题 。 因而 ，岸桥加高技术对 于现有岸桥满足 集装 箱船舶大型化发展的需要 有重大意 义 ，且该 技术 能节省港 口企业 的运营成本 ，提高港 口机械 先进 技术 ，对 于 港 口企 业 的进 一 步 发 展 具 有 重 大 意 义。 1 岸桥加高总体方案 为了适应生 产和发展需 要 ，天津集装箱 码头 组织技术力量对其 6 1 t 、6 2 ． 5 11 1岸桥进行加高改 造 ，要求整体抬高 6 I n ，采用立柱下部加高 6 m 的 方 法 ，如 图 1 所 示 。 由于采用浮 吊吊装作业会对本港船舶顺利进 出及港装卸作业造成较大影响且其租用价格相对 较高 ，本项 目采用液压提升方 法进行加 高，即使 用 1 套岸桥提升装置 ，提 升装置安装在 门框 下横 国家 自然科学基金项 目资助 5 1 2 0 5 2 9 2 、国家科技支撑计划资助 2 0 1 4 B A F 0 8 B 0 5 一 1 1 0 一 起重运输机械 2 0 1 5【 1 2 g 加高馥造部分 图 1 加高总体示意 梁上 ，支承梁与下横梁焊接 连接 ，并进行 局部结 构加固，四角设立 4副提升支架，提升支架的有 效提升高度为 9 I T I ，通过提升横梁与立柱牛腿进行 抬高提升，提升装置 主结构 为箱体结构 ，支撑结 构为钢管 ；提升支架底部与支承梁使用螺栓连接。 在提升梁搁 置在提升支架上 ，提升液 压缸放置在 提升梁上 ，具体布置如图 2所示。 2 岸桥加高安全性分析 为了保证改造后岸桥 的安全性 能符合相关设 计规范如 G B ／ T 3 8 1 l - _ 2 0 0 8和 F E M标 准等 ，满足 企业的安全需要 ，需要 全面对加高前后 的岸桥 力 学性能进行安全校核 ，给出相关 的安全辅助设 计 措施 ，通常 安全校 核轮 压 与稳定 性 、结构 强 度、 整体倾覆性 、主要受力结 构稳 定性 、强度及 轮压 变化等。还有 一个 重要 特性是分析整机结构 的动 态刚度，以确保加高后整机的振动特性不发生较 大变化 ，从 而保证司机工作 时的舒适性 ，从 而提 高作业安全性。 1 轮压与稳定性 加高 后 整机 自重 不仅 增 加 ，重 心 也 有所 上 移 ，外载荷的倾覆力矩将会增 大。从 目前对 已加 高的岸桥进行计算后来看 ，主要是 惯性力与风 载 荷对轮压与稳定性的影 响较大 。当轮压与稳定性 图 2 布置示 意 需要指 出的是计算机控制液压 同步提升技术 是一项新颖 的超大型结构提升 安装施工技术。它 采用柔性钢绞线 承重 ，提升液压 缸集群 ，计 算机 控制，液压同步提升新原理 ，结合现代施工工 艺， 将成千上万 吨的结构整体提升 到预定位 置安 装就 位 。液压提 升系统 的核 心设 备 采用计 算 机控 制 ， 全 自动完成 同步 升降 、负载均衡 、姿态校正 、应 力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种 功能。是集机 、电、液 、传 感 器、计算 机和 控制 论于一体的现代化先进设备 ，具有施工过程平稳 、 自动化程度高和安全可靠的优点。 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 受限时 ，惯性力可通 过适 当降低运行起 制 动时 间来 满足 ，暴 风 状态往往使得这 些岸 桥需要增加防风拉索 以保 持 足 够 的 稳 定 性 。表 1是 天 津 港 6 2 ． 5 m岸桥加高 6 m 后 情 况 ，A、B、C、 D表示 门腿 位置 ，如 图 3所示 。 表1 6 2 ． 5 m岸桥加高6 m轮压变化情况t 加高后 A B C D 风平行 大车 6 6 ． 9 5 7 5 ． 5 6 2 2 ． 3 1 1 3 ． 6 9 风垂直大车 7 3 ． 0 2 7 3 ． 3 8 l 6 ． 2 3 1 5 ． 8 7 ． 最大轮压 7 5 ． 5 6 L ∞ 1 ． ／ 门 l l 肠 桥 式 起 重 机 中 心 线 I l C ． 廿 r G m 陆侧轨道 图3 轮压计算简图位置 2 结构强度 改造后 的结构起 升高度更高 ，为 了保证结构 静强度在材料 的许用应力范 围以内，需要对改造 后的静强度 进行 校核。从 目前 的计算结 果来 看 ， 门框属于刚度控制构件 ，表 2是 6 2 ． 5 m岸桥加 高 6 m后应力变化情况 ，需要指出的是最大应力位置 根据机型都会发生一定的变化。 表 2 6 2 ． 5 m 岸桥加高 6 m 强度变化 MP a 具 体 工 况 加高后 小车位于后伸距满载下降制动，正 1 7 1 ．7 常风 小 车方向 小 车位 于后 伸距 满 载 下 降制 动 ，正 1 7 0 ．9 7 常风 大车方 向 小车位于前伸距 5 5 m满载下降制 2 1 1 ． 5 动 ，正常风 小车方 向 小车位于前伸距 5 5 m满载下降制 1 9 9 ．5 动 ，正常风 大车方向 计算采用 Mi d a s N F X有 限元建模计算 ，Mi d a s N F X相较于其他有 限元分析软件具 有更友好 的交 互式操作界 面，更快速便捷 的建模方法 以及 良好 的计算精度 。而且其加载机后处理过 程也 较为直 观和方便。相较于其他有 限元 分析软件 ，可 以明 显缩短工期 ，提高计算效率 。M i d a s N F X由 Mi d a s N F X D e s i g n e r 和 mi d a s N F X A n a l y s t 等程序 构成。 Mi d a s N F X D e s i g n e r 是 面向普通设计者 和 分析初学者的程序 ，它 由 C A D模型为基础 的工作 方式构 成 ，并通过活用各种 自动化功能 ，以最小 输入方便又快速地实现 了设计过程 中的前后处 理 与分析 。Mi d a s N F X是面向专业设计者和资深分析 员的程序。它由 C A D模型和有限元模型为基础的 工作方式构成，且支持由固体、外壳 、支架等多 种单元构成 的混合模 型。并利用 自带 的几何建模 和各种 网格制作功能 ，实现了精密 的建模 和分 析 以及结果分析的常用／ 专用的前后处理。 窗口环境方便的用户接 口、与多种 C A D程序的 接口、C A D标准的各种几何建模功能 、实用的网格 制作功能 、快速又正确的分析功能、以及利用最新 图形技术的后处理可视化功能和结果分析等功能为 一 11 2 一 常用的结构分析过程开阔了崭新的模式。 本次建模 主体结构 主要采 用 M i d a s N F X杆 单 元 即通常的梁单元 ，可承受弯矩 ，前后拉杆采 用棒单元 只能承受轴向力 ，弹性模量取 2 ． 1 x 1 0“ P a ，泊松比取 0 ． 3 。建模时把一些附属结构按 质量折合到金属结构里 面 ，根据各部分 的质量 不 同分别折算 密度。所 以，模 型 中材料 的密度 会 比 理论值大 ，以保证岸 桥总质量相等且质量分 布基 本一致 。应力云图见图 4 。 ’ 1 r 一 ， ／ ， 一 f r_ ， VO N MI S E S , N m2 圈 嚣 I 1。 ．27，1 6一I 墨 ～一 E 囹 4 Mi d a s N F X有限元模型及应力云 图 根据有限元计算 结果 ，得 到加高后 的岸桥在 一 、二类工况下 的强 度安全性 ，均满 足要求。其 正常工作工况下 ，岸桥 的最大应力 出现在车位于 前大梁6 2 ． 5 m处满载6 1 t 起升下降制动，工作风 沿着小车轨道吹时，值为 2 1 1 ． 5 M P a ，小于许用应 力值 。且整机 的稳定 性 、轮压 也均合格 。而且加 高后 的岸桥 ，在非工作状态 和各种极 限状态均满 足要求 ，但是需要 防风拉锁。其工作 状态突遇暴 风的最大耐风力强度为 3 1 m ／ s ，大车行走突然急 停 ，最大的惯性载荷等也满足设计要求 。 3 起重机动态剐度 固有频率是设备 的一种 固有 特性 ，是反映结 构动刚度的一个 重要指标 。起重 机 固有频率过 低 ，晃动 的幅度大且衰减 周期过长 ，司机往往会 感到恐惧 。一般来说 如果 没有加强措施 ，所计算 出来的频率变化在 1 4 ％ ～ 2 5 ％_ 4 J ，但从 目前改造 情况看 ，由于整体结构采 取充分措施加 强，使得 改造后固有频率变化不大。 4 提升系统安全性评价 整机在除去 行走 和海 、陆侧 门框下横 梁的质 量后约为 1 3 0 0 t ，以此为提升 总重 。选用 8台液 压提升液压缸 ，2台液压提升泵站 ，每台提升液压 缸的提升能力为 3 5 0 t ，提升总能力为 2 8 0 0 t ，安 起 重运输机械 2 0 1 5 1 2 全系数为 2 ． 1 5，提升液压缸的提升能力利用系数 为 4 7 ％ ，保证 了提升 液压缸 的安全 。根据提升装 置结构 计 算 结 果 ，其 结 构 的最 大 应 力 为 1 8 9 ． 9 M P a ，许用应力为 2 5 1 ． 5 MP a ，提升装置结构的安 全系数为 1 ． 3 3 ，保证了整个提升系统 的安全。 3 岸桥改造措施 岸桥的实施 主要 过程包括岸桥 门框立柱加高 部分 ，相关零部 件梯子 平 台、电梯支架 、电缆 支 架、电缆等的拆装，提升装置安装，岸桥联系横 梁的安装 ，利用液 压同步提升技术 提升岸桥 ，加 入加高结构 ，整机 贯通复位 ，试 车验收等 主要 工 作环节。施工过程见图 5 。 将桁架结构杆件在地面拼 装成一体，在立柱和横梁 划出安装基准线，用汽车 吊进行吊装，并按图纸进 行装焊 。 电梯停到最底层 ； 拆开立 柱断开处的梯子平台，并 捆在周边零件上 ； 拆开立 柱断开处的电线电缆。 1 拆卸立柱与下横梁阃的 连接螺栓 。 2 拍升岸桥到高度约6 ．4 m 3 吊起加高段到要求位置， 安装到位，与立柱和下横粱 螺栓连接 。 4 提升缓慢系统下放。 5 拆除提升装置，安装新增 部位的斜梯 、直梯、电线、 电缆，与原有连接贯通。 加高准备前还 需要将岸桥停放 到指定 的改造 位置 ，把 吊具升到最高位置 ；小车停到停车位置 ， 前大梁扬 起 ；绑扎 固定小 车等活动部件 ；电梯停 到最低停层 ；按要求 固定绑扎 大车行走等岸桥下 部结构 ；割除与岸桥 提升改造相干涉 的物件 ，并 打磨平整 。 而在安 装提升设备 时 ，需要安装 支承梁 、提 升支架、提升 支架斜撑 、提升梁 、提 升横梁 、托 梁等；安装前需 整体划线 ，注意提升装置 与岸桥 相对位 置 的控制 ，保证 中心重 合先 安装 支承 梁。 对立柱 牛腿 进行装 焊时 首先要 划线 、定位 尺 寸 ， 牛腿侧板要对齐箱体 面板 ，要求 4牛腿 同高，然 后将牛腿吊装到位 ，点焊 固定 。 安装提升横梁及托梁需要根据划线尺寸将托梁 吊装到支腿 中心位置 ，托梁 下需 事先放置好 枕木 ， 枕木高度需要满足后续钢绞线安装 的需求。吊装提 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 升横梁放在托梁上，提升横梁吊装后需注意与附近 立柱固定 ，防止后续 吊装时碰撞出现危险。待提升 支架安装完毕 ，安装钢绞线时方可拆除。 提升前还需 要对提 升系统进行 调试 ，检查线 路 、零部件是否安装到位 ，是否处 于正常工作状 态，并进行分动测试和联动测试。 在加高改造 完成后 还需要拆 除提升装 置，安 装新增零部件 ，去除临时搭 焊的吊耳 、平 台支撑 ， 对于油漆破坏部位打磨补漆等 。 为了保证施工的安全，还需设定一些安全保障 措施。例如，特种作业人员需持证上 岗；施工人员 需遵守安全操作规定和起重机安装与拆卸安全管理 细则；登高作业 2 m以上，使用安全带；禁止高空 抛掷任何物件 ；吊装构件在地面进行组装 ，且要采 取可靠的安全措施 ；保证电线电缆绝缘等。 4 结论 从 目前的加高 改造措施 上看 ，需要 严格按 照 相关设计规 范，采 取多种局部强化措 施 ，所 改造 后的安全性能通常是足够的 ，能够满足生产需要。 从改造过程看 ，采用本文所述加高工艺方案 ， 单 台岸桥计划改造施工周期较短 ，改造过程对企 业影响小。 从最后的直接 经济效 益看 ，岸桥 改造总费 用 为购买 1台新岸桥的 8 ％ ～1 0 ，经济性好。 改造后 的岸桥在经济 上和安全技术上 均达到 预定要求 ，随着 自贸 区的深化和扩展 ，本 加高对 其他港 口的岸桥加高也有借鉴和参考意义。 参 考文献 [ 1 ]张运鸿 ，吕长红 ．马士基航运 2 0 1 1年战略意图探析 ． 集装箱化 ．2 3 4 4 6 ． [ 2 ]邢丹 ． 2 4 0 0 0 T E U箱船，梦想与现实的距离 ．中国船检 _ J 1 ． 2 0 1 4 8 4 2 4 4 ． [ 3 ]孙远韬 张氢，曾鹏 ， 等 ．面向 3 E级 1 8 0 0 0 T E U集 装箱船舶的大型岸桥改造方案研究 [ J ] ． 起重运输机 械 ，2 0 1 4 1 0 8 6 8 9 ． 作 者 孙远韬 地 址上海市曹安公路 4 8 0 0号同济大学嘉定校区机械 与能源工程学院 邮 编 2 0 1 8 0 4 收稿 日期 2 0 1 5 0 ll l 一 1 1 3 一 吾 ～