专用集装箱吊具的优化设计

本文选自《起重运输机械》杂志，未经许可，不得转载

作者：翟 旺李 帅白文龙

摘要：对一种上开盖式专用集装箱吊装方法进行探讨，对现有专用集装箱结构特点及其传统吊装方法进行介绍，并总结其使用过程中中存在的优缺点。提出了一种简化吊具结构的吊装方法，对吊具组成进行介绍，对主承力结构件吊梁的强度、刚度进行有限元分析，并对吊具的结构尺寸、吊装倾角等与传统吊具进行对比 ,, 对吊具的特点进行总结。

Abstract: The paper proposes a hoisting method that can simplify spreader structure after discussing hoisting method of an upper opening special container, introducing structural characteristics of existing special container and its traditional hoisting method, and summarizing its pros and cons during using. The structure of the spreader is introduced, and the strength and rigidity of the hanging beam of the main bearing structure are analyzed by finite element method. In addition, the paper compares the spreader with traditional ones in structural dimensions, hoisting angle and other aspects, and summarizes its characteristics.

关键词：集装箱；吊装；倾斜

Keywords: container; hoisting; tilting

一种专用集装箱，采用上开盖结构形式，主要由底座及箱盖等组成，箱盖与底座间由多组螺栓连接固定。底座用于装载并固定货物 , 箱盖主要起防护作用，具有对内部运输产品与外界环境的隔热、防雨、防尘等功能。底座为适应大载荷装载要求，必须有足够的强度和刚度。因运输条件、质量要求所限，综合考虑制造成本，箱盖结构设计相对轻便，结构强度较低。整箱带载吊装时， 因箱盖结构强度低，必须将整箱满载吊点设在底座上相应位置。该集装箱无法采用常用吊顶方式进行吊装，需配套设计专用吊具。传统吊装方式如图 1 所示。

需要特别指出的是，该吊具吊装时吊具与集装箱的底部连接，其吊装稳定性与常用顶部吊装方式相比有较大差异。如果吊具与集装箱某些参数匹配不合理，集装箱起吊后倾角会较大，严重时甚至会引起倾覆危险。以某产品为例，曾发生吊装时集装箱前后方向倾斜角度超出允许范围，无法按正常操作完成工作任务，采取增加配重进行平衡后才完成吊装。

另该吊具结构尺寸大，操作、运输不方便。吊架尺寸 7 000 mm×3 000 mm×500 mm，必须单独使用车辆进行运输，吊具宽度超出一般公路运输车车箱宽度，运输不便。为便于使用、操作、运输，有必要对该吊具进行优化设计。

1 新吊具设计

1.1 结构

从简化结构、减小外形、便于使用等角度出发，对吊具结构进行优化设计。新吊具结构及组成如图 2 所示， 主要由吊梁、下吊索、销轴Ⅰ、上吊索、销轴Ⅱ、销轴

Ⅲ等组成。

吊梁为主体承力结构，吊梁中间主体结构由矩形钢管或钢板焊接成形，两端上侧开槽并加工销孔安装销轴Ⅱ，上吊索通过销轴Ⅱ与吊梁连接；两端两侧焊接耳片， 可安装销轴Ⅰ并与下吊索连接。吊装时，上吊索直接与吊车吊钩连接，下吊索通过销轴Ⅲ与集装箱底部连接孔连接。销轴Ⅲ插入到集装箱底部吊装孔内。

1.2 吊梁有限元分析

以某产品为例，吊梁几何模型见图 3。吊梁质量约180 kg。选取网格类型为 Solid 185，经计算上吊索拉力17.6 t，下吊索单边拉力 8.8 t，方向均为各面内斜 45°方向。将各载荷加载至相应销孔。计算结果见图 4、图 5，计算得局部最大应力 228MPa，最大变形约 0.5 mm。吊梁材料选取 Q345，安全系数大于 1.5，符合吊装规范要求。吊梁仅在端部销轴连接处附近应力较大，吊梁中部应力不大于 25.6 MPa。

2 新旧吊具对比

2.1 2 种吊具主要参数比较

新的吊具外形尺寸和结构重质量与原吊具相比显著减小，两种吊具主要参数比较见表 1。

2.2 2 种吊具吊装时倾角计算对比

2.2.1 前后方向倾角计算

1) 原吊具吊装时倾角计算

图 6 为专用集装箱吊装尺寸示意图。

忽略吊具质量影响，原吊具起吊后倾斜角度α 1 计算为

式中：a 为吊钩至吊架与垂直吊索上方连接点距离；c 为集装箱质心与垂直吊索下连接点的垂向投影距；x 为集装箱实际质心与理论质心沿前后方向的偏差。

2) 新吊具吊装时倾角计算

图 7 为新吊具吊装尺寸示意图。忽略吊具质量影响，参照图 7，新吊具货物起吊后前后方向倾斜角度α 2计算为

式中：d 为下吊索上、下连接点垂向投影距离，c 为集装箱质心距吊索下连接点的垂向投影距离，x 为集装箱实际质心与理论质心沿前后方向的偏差。

将某集装箱参数代入，求得原吊具不同箱体质心偏差下吊装倾角α 1。取d ＝ 2 900，c ＝ 1 100，计算求得新吊具不同箱体质心偏差下吊装倾角α 2。两种吊具吊装倾角计算结果见表 1。经对比分析，新吊装方式箱体倾角约为原吊装方式倾角的 40%。

2.2.2 左右方向倾角计算

图 8 为新吊具吊装尺寸示意图（前后方向）。仅对吊具前后方向的倾斜角度进行分析。在吊具设计、使用时，同时要关注吊装时左右方向倾斜程度。参见图 8，在下吊带与箱体侧壁未接触条件下，新吊具货物起吊后左右方向倾斜角度α 3 计算为

式中：a 为吊钩至吊架与垂直吊索上方连接点距离；c 为集装箱质心距下吊索下连接点的垂向投影距离；y 为集装箱实际质心与理论质心沿左右方向的偏差

依据式（1）、式（3），可见更改前后两种吊具，在图 8 所示投影尺寸a、c 相同时，吊装相同状态集装箱时，左右方向倾角相同。

依据式（3），如果a ＞ c ，该吊具使用时左右方向倾角可预知并可控。如果a ＜ c ，吊装开始时箱体倾斜， 直至箱体侧壁与吊具下吊索接触，依靠下吊索的约束使整箱不会倾翻；虽然箱体不会倾翻，但倾斜角度不易控制，且吊装不平稳，容易晃动。因此，吊具设计时，应该保证特征参数a ＞ c 。

3 新吊具问题分析

3.1 产品质心变化造成倾角太大

产品吊装倾角太大，存在倾覆、晃动等不安全隐患。可采用配置不同吊装连接点的方法进行调整，在箱体上前、后两吊点位置增加一组或几组吊装孔。箱体实际质心与理论质心相差较大时，可将吊具下方销轴插入到箱体不同吊装孔进行纠正。

3.2 吊装方式改变对集装箱受力分析

理论上，采用原吊具吊装时，吊索只对集装箱底座提供向上拉力，不会对集装箱底座产生前后方向轴向力。但采用本吊具，因吊索倾斜，会对集装箱底座产生轴向分力。但因底座结构强，轴向截面尺寸大，因吊装方式改变产生的轴向分力对集装箱底座受力影响不大。以某集装箱为例，满载吊装时，仅在吊具与集装箱底部连接点附近应力变化较为明显，对该区域结构进行局部加强后，经计算新的吊装方式与原来相比结构最大应力增加约 3 MPa，在材料的许用应力范围内。

4吊具优点

1） 吊梁每端所受向下垂向力和侧向力的垂向分力相互平衡，吊梁中间主体结构只承受由上吊带带来的轴向压力，结构受力较好。

2） 质量轻。新吊具吊梁质量可减至原吊具的 0.05倍。

3）运输方便。吊具分解、组装方便。吊梁中部为200 mm×200 mm 矩形钢管，端部最宽处 400 mm，长为 3 000 mm。装车固定方便，占用车辆空间小。

4） 吊装稳定性好， 本吊具吊装倾角为原吊具的40%。

5） 成本低。产品成本可降低至不足原产品的 1/3。

5 优化方法

1） 吊梁选用焊接性能好的高强度材料，可提高吊具的承载能力或进一步减轻吊具质量。

2） 安装销轴的各孔为吊具薄弱环节，可增加可拆卸轴套以提高其承载能力，进而提高整个吊具的承载能力及寿命。

3） 依据有限元分析结果，吊梁中部承载较小，可对结构作变截面优化，进一步减轻吊具质量。

6 结论

产品设计时，在满足基本使用要求的同时，要注重产品的使用性，力求使产品小型化、轻量化，操作简单， 运输方便。同时，对传统产品使用中暴露的问题，应寻找解决措施，使产品得以不断完善并更新换代。

参考文献

[1] 翟旺，郑国梁 一种专用集装箱吊装倾斜原因及对策研究

[J]. 起重运输机械，2015(5)：104-106

来源：起重运输机械