F-TR鎖是我國自主研發(fā)的新型集裝箱鎖，其具有獨特的鷹頭結(jié)構(gòu)，在安全性、經(jīng)濟型、適用性、可靠性等方面處于世界領(lǐng)先水平[1-2]。但是，在集裝箱裝卸車作業(yè)過程中，會出現(xiàn)車輛脫軌、集裝箱角件不落鎖等安全問題[3]。查閱文獻可知，國內(nèi)有關(guān)研究人員對集裝箱角件在F-TR鎖上的運動軌跡有過研究分析，但這些分析并不系統(tǒng)。而集裝箱重心偏移，會對集裝箱的落箱和出箱造成很大的影響。本文借助國內(nèi)外知名的多體動力學(xué)仿真分析軟件SIMPACK，以集裝箱空箱為例，建立詳細的包含F(xiàn)-TR鎖和集裝箱等在內(nèi)的吊裝系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，分析裝箱前集裝箱的姿態(tài)、裝箱和卸箱時角件的運動軌跡和受力情況，進而研究對安全性的影響。

 

1 吊裝系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型

吊裝系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，包含F-TR鎖、集裝箱空箱、單鉤吊、吊具和平車車體等五部分，另外，為了能夠反映集裝箱裝卸時，角件和F-TR鎖復(fù)雜的接觸情況，使用了特殊的接觸力。1.1 F-TR 鎖動力學(xué)動力仿真模型在集裝箱裝卸時，角件和F-TR鎖會發(fā)生復(fù)雜的接觸，如點與面、線與面、面與面等多種接觸，為了能夠準(zhǔn)確地描述這些接觸，需要建立精細的F-TR鎖幾何模型。首先，根據(jù)圖紙，在CAD軟件中，建立詳細的F-TR鎖三維幾何模型，在保證幾何模型細節(jié)完整的情況下，再以STL格式導(dǎo)出；其次，在動力學(xué)仿真軟件中，導(dǎo)入該文件，設(shè)置合理的縮放系數(shù)和位置調(diào)整參數(shù)，得到的F-TR鎖動力學(xué)仿真模型如圖1所示。

 

 

圖 1 F-TR 鎖動力學(xué)仿真模型

 

1.2 集裝箱空箱學(xué)動力仿真模型

在集裝箱的一側(cè)，有一個質(zhì)量為168kg的門，會造成空箱產(chǎn)生重心偏移，相對于重箱而言，可以更加明了直觀地貼近實際情況，這也是本文選擇空箱為研究對象的原因。角件在集裝箱的底端四角布置，跟F-TR鎖類似，也是集裝箱裝卸發(fā)生碰撞時的主角之一，因此，根據(jù)圖紙，在CAD軟件中，建立詳細的三維幾何模型，以STL格式導(dǎo)出，將該文件導(dǎo)入到動力學(xué)仿真軟件中，設(shè)置合理的縮放系數(shù)和位置調(diào)整參數(shù)，空集裝箱的動力學(xué)仿真模型如圖2所示。

 

 

圖 2 集裝箱空箱模型

 

1.3 單鉤吊、吊具和平車模型

在國內(nèi)貨場中，集裝箱吊裝設(shè)備有正面吊、門吊等，其中使用單鉤的場合還有不少。在單鉤吊中，纜繩相對于滑輪有小幅度的自由轉(zhuǎn)動，在動力學(xué)仿真模型中，充分地考慮到了這一點，那么，這樣可以更合理地在動力學(xué)仿真模型中反映集裝箱重心偏移的情況。

 

平車模型，不是本文建模的重點，故進行簡化處理，不再考慮輪軌關(guān)系、轉(zhuǎn)向架等。在平車車體上，F-TR鎖在地板面四角，其鷹頭方向 (上錐方向) 為同端同向、兩端反向布置。

 

1.4 角件與 F-TR 鎖接觸

如前文所述，角件和F-TR鎖的接觸情況復(fù)雜，接觸的合理模擬是仿真的關(guān)鍵點之一。在多體動力學(xué)仿真軟件SIMPACK中，有豐富的接觸計算方法，如點對點、曲面對曲面和體對體的接觸模擬，尤其在體對體的接觸中，有規(guī)則幾何體（如圓柱、球體）接觸計算的赫茲接觸算法，有基于幾何外形的接觸方法，還有PCM（多邊形）接觸法，因為在角件和F-TR鎖之間的接觸仿真模擬中，涉及平面、圓面、倒角面等多種復(fù)雜接觸和摩擦效應(yīng)，所以，選用SIMPACK軟件中的PCM方法來模擬二者間的接觸作用。

 

在PCM方法中，每個接觸面上，法向剛度cn與接觸面積A的關(guān)系：

 

 

 

其中，b是彈性層的厚度，K與材料的楊氏模量E和泊松比 υ 的關(guān)系如下式（2）所示：

 

 

 

接觸面E和F 之間的合成剛度cn,total由式（3）確定

 

 

 

根據(jù)上述方法，建立了這二者之間的作用力，選擇標(biāo)準(zhǔn)的彈性層接觸方式，輸入這二者的材料參數(shù)，如楊氏模量、泊松比等，并考慮接觸時的阻尼起作用方式和動摩擦作用。

 

利用PCM方法，模擬接觸零部件之間的作用力，參數(shù)少且含義明確，還考慮到零部件材料的特性，這樣，可以保證模型在計算時有合理的仿真結(jié)果。

 

1.5 吊裝系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型

整個吊裝系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型的自由度如表1所示，模型中有12個剛體， 8個自由度，接觸力有4個，點對點力4個，單邊力4個。整個模型如圖3所示，頂部深藍色的為吊點，底部淺綠色的是平車車體，藍色線框代表集裝箱，縱向x是從集裝箱中心指向門，垂向z是集裝箱中心指向藍色的吊點，橫向y是垂直于紙面方向。

 

表 1 模型自由度

 

 

 

圖 3 吊裝系統(tǒng)模型

 

2 集裝箱姿態(tài)變化

吊裝系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，原始的狀態(tài)如圖3所示，集裝箱、車體等的中心都在一條垂線上。此時，藍色的吊點距軌面12m，集裝箱底面距軌面1.7m，在左側(cè)集裝箱門的作用下，形成集裝箱重心偏心，集裝箱繞著吊點會在一定范圍內(nèi)擺動，最終會停止下來，集裝箱帶門的一側(cè)會下沉，相反一側(cè)會翹起，集裝箱底面與平車地板面形成一個夾角，經(jīng)計算該角度是1.69°，集裝箱底部中心點與平車中心會在x軸方向產(chǎn)生偏離，數(shù)值是153.846mm，如圖4所示。另外，靠近門端和遠離門端的角件，其中心高度差為172.753mm。

 

 

圖 4 裝箱前集裝箱狀態(tài)

 

3 裝箱動力學(xué)仿真結(jié)果

由上述裝箱前集裝箱狀態(tài)可知，如果此時，直接吊裝集裝箱，角件與F-TR鎖根本就裝不上。根據(jù)吊裝現(xiàn)場經(jīng)驗，一般會把吊點向集裝箱重心位置移動一下，因此，在模型中，將吊點等相關(guān)的剛體沿x軸正方向移動153.846mm，讓角件孔中心正對著F-TR鎖中心。在集裝箱吊裝過程中，勻速下吊的速度是0.1m/s，集裝箱姿態(tài)變化如圖5和6所示。從圖5，集裝箱點頭角變化可知，從0.64s開始，集裝箱點頭角呈“步進式”減小，在1.4s之后，近似于“線性”下降，在2s之后，又近似于“步進式”變化。從圖6可知，集裝箱的搖頭角變化類似于字母“W”，角度變化最大幅值為0.37°，比蒲少華提到的在集裝箱垂直落鎖時水平轉(zhuǎn)角0.34°略大[3]。圖7、8和9，分別是角件和F-TR鎖的接觸力，黑色、紅色、綠色和藍色曲線分別是靠近集裝箱門端左右側(cè)和遠離門端左右側(cè)的接觸力。

 

從上述結(jié)果中，不難看出集裝箱重心偏移的影響：

1) 靠近集裝箱門端的兩個角件先于遠離門端的兩個角件，與F-TR鎖接觸；

2) 落箱過程中，集裝箱會因為角件與F-TR鎖的接觸發(fā)生兩次繞z軸的旋轉(zhuǎn)，搖頭角比不考慮重心偏移時的略大；

3) 靠近門端的角件與F-TR鎖垂向接觸力，比遠離端的幅值要大。

 

 

圖 5 集裝箱轉(zhuǎn)角β

 

 

圖 6 集裝箱轉(zhuǎn)角γ

 

 

圖 7 角件與 F-TR 鎖縱向接觸力

 

 

圖 8 角件與 F-TR 鎖橫向接觸力

 

 

圖 9 角件與 F-TR 鎖垂向接觸力

 

4 卸箱動力學(xué)仿真結(jié)果

集裝箱卸箱過程中，勻速提升的速度是0.1m/s，集裝箱姿態(tài)變化如圖10和11所示。圖12、13和14，分別是角件和F-TR鎖的接觸力，黑色、紅色、綠色和藍色曲線分別是靠近集裝箱門端左右側(cè)和遠離門端左右側(cè)的接觸力。圖15是遠離和靠近門端，兩側(cè)角件的中心高度差。從圖12至14可知，在0.5s時，角件和F-TR鎖的接觸力基本上變?yōu)?，也就是二者脫離了，而從圖10可知，集裝箱點頭角此時為0.32°，同時，從圖15可知，此時遠離和靠近門端的兩側(cè)角件的中心高度差為33.2mm，遠小于裝箱前的172.753mm。

 

從上述結(jié)果中，不難看出集裝箱重心偏移的影響：

1) 靠近集裝箱門端的角件略晚于遠離門端的角件，與F-TR鎖脫離；

2) 卸箱過程中，集裝箱會因為角件與F-TR鎖的接觸發(fā)生兩次繞z軸的旋轉(zhuǎn)，但是時間間隔很短；

3) 由于F-TR鎖的尺寸和起吊速度快的原因，卸箱過程集裝箱的點頭角要比裝箱時的小，兩側(cè)角件的高度差也要小得多。

 

 

圖 10 集裝箱轉(zhuǎn)角β

 

 

圖 11 集裝箱轉(zhuǎn)角γ

 

 

圖 12 角件與 F-TR 鎖縱向接觸力

 

 

圖 13 角件與 F-TR 鎖橫向接觸力

 

 

圖 14 角件與 F-TR 鎖垂向接觸力

 

 

圖 15 遠離和靠近門端角件中心高度差

 

5 結(jié)論

通過集裝箱角件與F-TR鎖運動關(guān)系動力學(xué)仿真計算可知：

1) 利用SIMPACK軟件強大的建模功能，集裝箱F-TR鎖和角件等零部件的動力學(xué)仿真處理很恰當(dāng)；

2) 利用SIMPACK軟件中特有的接觸力，可以完美地模擬集裝箱F-TR鎖和角件之間復(fù)雜的接觸；

3) 集裝箱重心偏移，對集裝箱的姿態(tài)、裝箱和卸箱都有很大的影響，尤其是在裝箱過程中，影響更大，所以，在實際吊裝時，需要對集裝箱重心偏移嚴格控制，以避免事故的發(fā)生。

 

資料來源：達索官方