集装箱吊具锁头|集装箱吊具旋锁疲劳试验与结构优化

尹 冰

三一集团有限公司 长沙 410100

摘 要：通过吊具试验台进行疲劳试验，研究吊具旋锁的疲劳寿命。建立有限元模型计算旋锁应力，再根据S-N疲劳曲线估算旋锁的理论寿命。建立一套准确可靠的疲劳评估模型，根据该寿命评估模型，优化设计旋锁结构，提高旋锁的使用寿命。

关键词：集装箱吊具；旋锁；疲劳试验；疲劳寿命；优化设计

中图分类号：U653.929.+1 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）19-0076-05

0 引言

旋锁装置是集装箱吊具的关键结构，其疲劳寿命直接关系到设备的安全使用。集装箱堆场经常出现吊具旋锁断裂导致集装箱跌落的安全故障，造成巨大的经济损失及安全事故。因此，准确的评估旋锁的疲劳寿命，优化结构设计，提高旋锁使用寿命，是事关集装箱设备使用安全的关键课题。为了保证设备安全，生产厂家往往要求客户在使用3 000 ～ 5 000 h 更换旋锁，但并无理论依据，过早更换造成配件浪费，过迟更换则有安全隐患。

为了准确评估结构的疲劳可靠性吊车出租，通过建立疲劳试验台对实物进行1:1 的疲劳试验，对试验结果进行统计分析。通过建立有限元模型计算旋锁应力，再根据S-N疲劳曲线估算旋锁的理论寿命。将疲劳试验与理论计算结果结合，总结一套方便可靠的寿命评估方法，应用于旋锁的优化设计，并为准确地评估旋锁的更换周期提供依据。

1 旋锁的结构说明

吊具旋锁由旋锁杆件和旋锁螺母组成。旋锁杆件为整体锻件，其底部锁钩与集装箱孔接触，承受集装箱的重力，顶部为M36 普通螺纹，螺母底部受吊具支撑。结构如图1 所示。

(a) 整体装配模型

(b) 旋锁螺杆模型

图1 集装箱吊具旋锁结构

2 疲劳试验

2.1 试件材料

旋锁材料为42CrMo，调质处理，抗拉强度1 080MPa，屈服强度930 MPa。 材料的疲劳特性S-N 曲线缺乏试验数据时，可通过经验公式进行拟合。根据相关文献及长期实践[2]，可根据材料的抗拉强度计算出N0=1×106 次的疲劳极限

式中：σ-1 为对称循环应力疲劳极限，σb 为材料抗拉强度。

材料疲劳特性S-N 曲线的函数式为

式中：m 为材料常数，母材取m=5.3；r 为交变应力的应力比，对称循环应力r = -1；σi 为有限寿命的疲劳极限应力；Ni 为应力作用的循环次数；C 为常数值。通过式（1）、式（2）能拟合出不同钢材的S-N曲线，计算得出钢材42CrMo 的疲劳极限为385 MPa，拟合其S-N 曲线如图2 所示。

图2 钢材42CrMo 疲劳S-N 曲线

2.2 试验载荷

为了缩短疲劳试验周期，施加比实际疲劳工况大的载荷，再通过当量载荷等效计算将试验次数转换为实际疲劳工况的次数。基于材料疲劳S-N 曲线的不同载荷等效作用次数计算

式中：m 为材料常数，母材取m=5.3；F1 为试验加载载荷；F2 为实际疲劳工况载荷；N1 为试验次数；N2为等效疲劳工况次数。

根据统计结果，吊具下疲劳载荷为28 t，采用吊载35 t 做加速试验，等效次数与试验次数的关系为N2=3.05N1。吊具有四个旋锁，吊载35 t 集装箱试验平均每个旋锁的载荷为10.9 t。

2.3 试验结果

根据集装箱吊装作业工况，建立了吊具疲劳试验台，如图3 所示。疲劳试验的一个工作循环为：从地面以250 mm/s 的速度起升35 t 载荷，离地0.5 m 高，停顿2 s，再以同样的速度将载荷放到地面。每台吊具装4 根旋锁，若其中一根断裂，记录其总试验次数，更换新旋锁后试验，第二根断裂旋锁同样记录其总吊载次数。试验累计断裂了10 根旋锁，数据如表1 所示。

图3 吊具疲劳试验台

注：等四列的等效寿命按每小时吊载20 箱计算。

通过试验结果列表可知，旋锁的寿命范围在22888 ～ 45 929 h，平均寿命为吊载28 t 载荷33 000 h。10 根旋锁断裂位置全部为退刀槽上方的第一圈螺纹，如图4 所示。

图4 疲劳试验断裂的旋锁

3 有限元疲劳寿命计算

3.1 有限元模型

建立旋锁螺杆及螺母的三维几何模型，M36 螺纹均采用螺旋扫描切除的方法建立。有限元模型定义螺母螺纹与螺杆螺纹的接触对，使螺杆的载荷通过接触对传递到螺母上，约束螺母下底面，在螺杆锁头上表面施加载荷。模型整体网格2 mm，螺纹网格局部细化0.5 mm。集装箱载荷35 t，由4 根旋锁承受，考虑起升动载系数1.25，则每个旋锁载荷为10.9 t。

(a) 局部放大

(b) 整体模型 (c) 网格划分

图5 旋锁有限元模型

3.2 应力计算

通过计算，得出螺杆最高应力位于螺杆底部第一圈螺纹上，最大应力676 MPa。从应力图中可知，螺纹应力变化非常大，第二圈应力507 MPa，第三圈骤降到272 MPa，可见螺纹的载荷主要集中在前两圈。

(a) 整体应力图

(b) 局部放大图

图6 旋锁应力图

3.3 理论寿命计算

旋锁的材料为42CrMo，σb=1 080 MPa， 根据经验将式（4）、式（5） 拟合， 母材疲劳极限σ-1=385MPa，根据《起重机设计规范》，疲劳极限考虑1.34 的安全系数，则计算疲劳极限为[σ-1]=287 MPa。对于吊具旋锁，应力循环特性为脉动循环，r=0，开裂位置的应力特性为拉应力，应用Smith 公式计算疲劳极限为σ0=421 MPa。根据S-N 曲线，676 MPa 作用的计算寿命为1.6×105 次。按20 箱/h 转换为28 t 疲劳载荷等效寿命为24 000 h。该计算值在疲劳试验结果的寿命范围中。

4 优化设计

4.1 改进方案

根据试验与有限元结果二手吊车，得出旋锁疲劳寿命最薄弱位置为第一圈螺纹处。为了改善螺纹牙上载荷分布不均程度，分别采用两种方案进行结构优化。如图7，方案一为悬置螺母集装箱吊具锁头，将螺母底部一段切除形成台阶，通过垫板传递载荷到中部螺纹。方案二为环槽螺母，将螺母底部开环形槽，螺母底部承受的载荷被传递到螺纹中部螺纹。

(a) 优化方案1

(b) 优化方案2

图7 旋锁结构优化方案

4.2 理论计算

通过计算，得出螺杆的应力分布。从应力图中看出集装箱吊具锁头，两种优化方案各圈螺纹的应力分布较均匀，方案1 第一圈最大应力485 MPa, 第二圈应力439 MPa。方案2 第一圈最大应力501 MPa，第二圈应力457 MPa。参考第3 节理论计算方法，得出疲劳寿命分布为47 017 h 和39587 h，较原结构提高了近2 倍。

图8 旋锁结构优化方案应力

4.3 试验结果

综合考虑制造成本和试验成本，选取第二种方案进行试制及疲劳试验。试验过程中总共断裂了6 根旋锁，结果如表3 所示。

通过试验结果列表看出，改进方案2 旋锁的寿命范围在43 182 ～ 65 613 h，平均寿命为吊载28 t 载荷52058 h。疲劳寿命较原结构提高近60%。

5 总结

1) 通过疲劳试验表明，调质处理合格的42CrMO 旋锁吊载35 t 集装箱使用寿命不低于15 万箱次，等效于吊载28 t 集装箱45 万箱次，常规港口可在20 000 h 更换旋锁。

2) 旋锁寿命薄弱点为第一圈螺纹处，通过悬置螺母与槽型螺母方案可将载荷传递到第二圈及以上，让螺纹受力较为均匀，显著改善螺纹应力集中情况，提高疲劳寿命。

3) 有限元法计算结构应力，再根据S-N 曲线名义应力法计算疲劳寿命，结果与实际测试较吻合，可通过该方法评估结构疲劳寿命，减少疲劳试验花费昂贵的成本。

参考文献

[1] GB/T3811—2008《起重机设计规范》释义与应用[M]. 北京:中国标准出版社，2008.

[2] 周传月，郑红霞，罗慧强. MSC.Fatigue 疲劳分析应用与实例[M]. 北京：科学出版社，2005.

[3] 成大先. 机械设计手册（第一版）[M]. 北京：机械工业出版社.

[4] British Standard Institution.7608-1993 code of practice for Fatigue design and assessment of steel structures[S].

[5] prEN 13001-3-1Cranes - General Design - Part 3-1 Limit States and proofcompetence of steel structure[S].

[6] 马少俊，胡本润. 金属材料疲劳极限估算的多参数经验公式[J]. 机械强度, 2010，32（6）993-996.

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