基于有限元分析方法的吊钩式传感器优化设计与试验分析.pdf
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1、2023Nov.JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年1 1 月No.11Vol.40第4 0 卷第1 1 期机设计械基于有限元分析方法的吊钩式传感器优化设计与试验分析*孔德顺1 2,耿振3,李世林1(1.中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所,北京100081;2.北京华横科技有限公司,北京100081;3.中国铁路济南局集团有限公司聊城车务段,山东聊城252000)摘要:随着现代铁路物流的发展,集装箱运输成为铁路物流发展的主要方向,正面起重机在吊装集装箱时具有机动性强、作业效率高、操作简便等优点,被广泛应用于铁路货场集装箱作业中。文中结合正面起重机吊钩结构特征设计集装
2、箱超偏载检测系统所需的吊钩式传感器,实现集装箱称重、超偏载检测和吊装为一体的结构形式。结合正面起重机作业过程、吊钩在吊运集装箱过程中的受力特征和吊钩使用年限要求,进行吊钩传感器结构设计和寿命预测,并采用有限元分析方法,优化结构参数、验算结构强度和估计使用寿命。通过试验验证,设计加工的传感器结构合理,结构强度和精度满足要求,该方法的应用为吊钩式传感器设计、加工和维护提供一种新的应用方案。关键词:正面起重机;吊钩式传感器;有限元分析;优化设计;试验分析中图分类号:TP241文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 3 5 4(2 0 2 3)1 1-0 0 5 6-0 6Optimal desi
3、gn and experimental analysis of hook sensor based onfinite element analysis methodKONG Deshun-2,GENG Zhen,LI Shilin(1.Institute of Standard Metrology,Chinese Academy of Railway Sciences Co.,Ltd.,Beijing 100081;2.Beijing Huaheng Technology Co.,Ltd.,Beijing 100081;3.Liaocheng Section of China Railway
4、Jinan Group Co.,Ltd.,Liaocheng 252000)Abstract:With the development of modern railway logistics,container transportation has become the main direction of thedevelopment of railway logistics.Reach stacker have strong mobility,high efficiency and easy operation when lifting containers,and are widely u
5、sed in railway freight yard container operations.This paper combines the structural characteristics of the reachstacker to design the hook sensor required by the container overload and unbalanced load detection system.Hook type sensor real-izes container weighing,over-unbalanced load detection and h
6、oisting.Combining the operation process of the reach stacker,theforce characteristics of the hook in the process of lifting the container and the requirements of the hook service life,the structureand life prediction of the hook sensor are designed.At the same time,the finite element analysis method
7、 is used to optimize thestructural parameters,checking structural strength and service life of the sensor.Through the experimental verification,the sensordesigned and processed in this paper has a reasonable structure,and the strength and accuracy meet the requirements.The appli-cation of this metho
8、d provides a new solution for the design,processing and maintenance of the hook sensor.Key words:reach stacker;hook sensor;finite element analysis;optimized design;experimental analysis*收稿日期:2 0 2 1-0 2-1 9;修订日期:2 0 2 3-0 5-1 7基金项目:中国铁道科学研究院基金重点项目(2 0 2 0 YJ058)572023年1 1 月孔德顺,等设计与试验分析十一有限厂分析方沃的吊钩式传
9、感随着现代铁路物流的发展,集装箱运输已成为铁路物流发展的主要方向,并且现有集装箱运输中经常出现超偏载和配载不合理现象,造成火车货运脱轨事故的潜在风险,这个安全隐患的存在引起了货运安全监管部门的重视。集装箱正面起重机(简称正面吊)在吊装集装箱时具有机动性强、作业效率高、操作简便等优点,而正面吊安装集装箱超偏载检测系统在吊装集装箱过程中对集装箱内货物装载总质量、超偏载情况进行实时检测,既能保证集装箱内货物质量及偏载、偏重在允许范围内,又能确保集装箱在铁路中的运输安全,在铁路货场集装箱作业中得到广泛应用。魏刚等以集装箱超偏载检测装置的应用背景、原理和应用工况为对象,促进运输安全的研究。宋国瑞等2 分
10、析铁路集装箱运输超偏载的特点,依据铁路货物装载加固规则提出静态集装箱超偏载检测仪的设计思路,成功研制出静态集装箱超偏载检测仪,现场应用具有良好的效果。张国钧3 针对铁路集装箱人箱品类复杂、混装货物较多和客户装车质量要求高等因素,从提高作业技能水平和责任意识、加强风险防控措施和设备投人、完善技术管理规范和标准创建3 个方面人手,提出更高的集装箱安全管理方法来解决集装箱超偏载问题。王宴平4 研究了集装箱装载质量智能检测系统,能准确检测集装箱质量和超偏载情况,还能检测铁路货车装车后整车质量和超偏载情况,从源头上杜绝集装箱装载安全问题的发生。杨广全等5-7 针对编制集装箱装车方案费时、配载不合理问题,
11、提出了集装箱装车后铁路车辆承重、偏重和偏载的计算方法,建立了启发式遗传算法的集装箱装车配载方案,实现了装车配载的智能化。同时,为构建铁路集装箱安全监管平台,设计正面吊的运行状态参数、油耗、轮胎胎压、胎温、GPS定位及吊箱计数等数据采集方案,研制了车载数据采集终端和安全监管平台,为铁路正面吊的精准化管理提供了参考。正面吊安装吊钩式传感器既能实现常规集装箱的装卸工作,又能实现集装箱称重、超偏载情况的检测,设计吊钩式传感器结构强度和秤量精度直接决定了正面吊的安全使用和称重、超偏载检测精度。上述研究只是对集装箱超偏载检测理论和方案进行了研究,针对正面吊吊钩式传感器的研究较少,文中采用有限元分析方法对传
12、感器进行优化设计,并制作出吊钩式传感器,结合传感器加速退化方法,采用拉力试验机和疲劳试验机进行试验,对仿真结果与试验结果进行比较,验证该方法的有效性,为吊钩式传感器设计、加工和维护提供一种新的理论方案。一正面吊吊钩的工作原理正面吊作业能实现高堆码吊装作业和窄过道通行,装卸驳船和多式联运站场上跨车道装卸作业如图1 所示。正面吊吊具机构具有伸缩、旋转及侧移等功能,吊钩作业中受力工况多样,且经常处于重载及高频振动状态,容易出现开裂、拉伤和失效现象。正面吊吊具作为集装箱吊装受力的关键部件,其吊钩的强度、刚度及载荷寿命参数一直是正面吊设计者关心的重点和难点问题,为了实现正面吊在吊装集装箱作业中具有称重、
13、超偏载检测功能,文中将原有的吊钩设计成吊钩式传感器如图2 所示。CAPITA(a)集装箱吊装状态(b)吊钩安装结构(c)吊架横向结构图图1正面吊吊架和吊钩(a)原吊钩结构图(b)现有吊钩式传感器结构图第4 0 卷第1 1 期58计设机械(c)文中吊钩式传感器结构图图2吊钩和吊钩式传感器2吊钩式传感器力学分析吊钩作为正面吊作业时的直接承载部件,设计吊钩式传感器不仅需要考虑其结构强度,还需要考虑频繁使用的载荷寿命。现有的吊钩选用Q420Qd钢,为实心结构,更换频次为1 年,根据Q/CR7912020铁路集装箱超偏载检测装置标准要求,吊钩式传感器承载力最小为1.5 倍的最大安全载重量,4 个吊钩承载
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