劉志東

(青島漢纜股份有限公司，山東青島266102)

0 引言

隨著國際貿(mào)易以及經(jīng)濟全球一體化的發(fā)展，海運這種運載量大、價格低廉且非常實用的運輸方式，近年來發(fā)展迅速，其規(guī)模和運力也得到前所未有的提高。我公司在不斷開拓國內(nèi)市場的同時，也積極拓展海外市場。近期我公司和非洲某國簽訂了一批電力電纜出口合同，共計約30個電纜盤。由于路途遙遠，中途既有漫長的海上運輸，又有長距離的陸地運輸，而如何方便、安全地運輸這批電纜是個不小的挑戰(zhàn)。

1 新式海運用電纜盤吊裝框籃

按照通用標準，我公司的電纜盤直徑1500～3500 mm，寬度1600～3000 mm，如圖1所示。電纜是呈螺旋形、層層疊加纏繞在電纜盤的輥筒直徑d上，在纏繞到快接近側(cè)板直徑D時，在其表面包覆一層薄鐵皮，起到保護電纜的作用。在啟用電纜時，外包覆的鐵皮要去掉。

在早期傳統(tǒng)的貨船裝運電纜的方式中，往往是單層堆放的，在電纜盤滾動的兩個方向用4塊鍥形木頂住，鍥形木用鋼釘固定在船舶甲板上(見圖2)。

圖1 電纜盤

圖2 電纜盤裝船圖

這種裝船方式的優(yōu)點是擺放簡單、操作方便，適合快速裝船。缺點，一是不能有效利用甲板空間;二是由于長途海上運輸，風浪造成船舶在運輸過程中不斷顛簸，劇烈的搖晃、起伏會使得鍥形木松動、脫落，起不到防止電纜盤滾動的作用，從而造成相鄰兩個電纜盤之間刮擦、碰傷。這種碰傷往往會直接破壞外表面包覆的鐵皮進而損壞電纜，造成不必要的損失，這種情況在以往的運輸中曾經(jīng)發(fā)生過。

為了克服以上遇到的問題，我們設(shè)計了一種新式的電纜盤吊裝框籃(見圖3)。

圖3 電纜盤吊裝框籃

在圖3中，上橫梁、縱撐、立撐、上縱梁、中橫梁、立柱、斜撐、底盤，它們組成框籃的基本結(jié)構(gòu)。其中構(gòu)件1與 2、4與 1、4與 8、7與 8、8與 10，都是用M16的8.8級螺栓聯(lián)接。3是起吊時用于掛鋼絲繩的，用電焊牢固地焊接在1上。6是可以活動的，方便工作人員爬上框籃松開吊繩。而且當電纜運到現(xiàn)場后，要人爬上頂部松開3根縱撐的螺栓 ，取下縱撐，方便電纜從框籃中吊出來。9用8.8級的M10螺栓聯(lián)接，起到隔開相鄰兩個電纜盤的作用，使電纜盤在劇烈搖晃時不至于碰到另外的電纜盤，另外也起到加強框籃結(jié)構(gòu)的作用。當電纜盤吊入框籃后，把鍥形擋塊插入到電纜盤兩側(cè)圓盤的底部使之與電纜盤接觸緊密后，再用點焊焊接聯(lián)接到底盤10上。設(shè)計成框籃結(jié)構(gòu)的好處是便于啟運和開箱卸貨，而且拆卸下來的框籃零部件如果沒有變形、損傷，可留作下次使用，節(jié)省了包裝的費用。

2 框籃受力分析

2.1 立柱受力分析

由材料力學知道，低碳鋼的抗壓極限與抗拉強度接近，根據(jù)強度條件公式:

式中，N為4根20#槽鋼立柱受到的電纜盤的壓力;A為4根20#槽鋼立柱受力的截面積;σ為立柱的工作應(yīng)力;［σ］為立柱的許用應(yīng)力。

將 N=7.30 ×104N，A=32.8 cm2，代入式(1)中，得 σ =22.2 MPa，查資料得［σ］=240 MPa，σ ＜［σ］。

考慮到運輸過程中的顛簸沖擊，其沖擊系數(shù)ψ大約為1.1～5，我們?nèi)∽畲笾?，那么實際工作應(yīng)力σ實=5×22.2=111 MPa，σ實＜［σ］。

采用了符合國標的20#高強度的槽鋼作為承載立柱，能夠滿足承載上方一層的電纜盤的要求，同時也可以滿足吊拉時的拉應(yīng)力的要求，如圖4所示。

2.2 底盤受力分析

底盤10的承重能力尤為重要，設(shè)計的底盤是經(jīng)過加固過的，如圖5所示。

根據(jù)合同的要求以及我公司的標準，規(guī)定了每個電纜盤直徑為3250 mm，寬度2300 mm，重量大約7.45 t。依據(jù)電纜盤的空間尺寸，我們設(shè)計的框籃尺寸為:長3500 mm，寬2862 mm，高3550 mm，重量大約 2.1 t。

根據(jù)式(1)，N為14#工字鋼受到的電纜盤重力;A為14#工字鋼的受力截面積;σ為14#工字鋼的工作應(yīng)力;［σ］為14#工字鋼的許用應(yīng)力。

圖4 裝船示意圖

圖5 底盤受力圖

將 N=7.30 ×104/2=3.65 ×104N，A=21.5 cm2，代入式(1)中，得 σ =16.97 MPa。

為了節(jié)約材料，我們想把這些沒有變形的槽鋼材料回收利用，如果變形了，修復起來成本較高。所以取槽鋼的屈服強度來計算，也是出于經(jīng)濟成本的考慮。工字鋼是屬于普通碳素鋼，查資料得［σ］=σs=230 MPa(σs為14#工字鋼屈服極限)。

另外考慮到船舶在航行中遇到風浪后的顛簸沖擊，其動載荷的沖擊倍數(shù)約為靜載荷的7～9倍，取最大值 9，則實際工作應(yīng)力 σ實=9×16.97=152.73 MPa，σ實＜σs，滿足了屈服極限的要求。

上述是為了方便推算而簡化了的模型，底部的槽鋼受力其實沒有這么大，電纜盤有一部分重量分散到了四根20#槽鋼立柱上了，這也無疑減輕了底盤14#工字鋼受到的沖擊，可靠性大大增加。

2.3 吊鉤受力分析

吊鉤3的受力強度也是一個重點，吊鉤采用的是Q345B鋼材，厚度為20 mm，吊鉤的最小彎徑處尺寸為30 mm，如圖6所示。

根據(jù)剪切應(yīng)力的公式:

式中，P為吊鉤受到的總拉力(包括電纜盤和框籃的重量);A為吊鉤的受力截面積(4個吊鉤的截面積);τ為吊鉤的工作應(yīng)力;［τ］為Q345B鋼材的許用應(yīng)力。

將 P=9.36×104N，A=4×2×3=24 cm2，帶入式(2)中，得 τ=39 MPa。

Q345B鋼材的剪切許用應(yīng)力［τ］=0.6 ～0.8［σs］(［σs］為 Q345B 的屈服極限)，取平均值 0.7，查資料［σs］=345 MPa，則［τ］=0.7 ×345=241.5 MPa。

考慮到起重吊裝時的沖擊會對吊鉤有影響，而且這種影響有時會相當大，比如一些極端的情況，如突然起吊或在起吊過程中遇到障礙物等，在這些情況下仍然要保證框籃的安全，所以取起吊沖擊載荷系數(shù)ψn為1.1～5，符合起吊用鋼絲繩的安全系數(shù)范圍。我們?nèi)∽畲笾?，即可得出:τ實=39×5=195 MPa，τ實＜［τ］，故滿足安全起吊的要求。

為了在電纜框籃上面再堆放一層電纜盤，在每個框籃的上面架了3根縱撐，既起到托住上層框籃的作用，又起到了加強框籃上部結(jié)構(gòu)的作用。當起吊框籃時，其鋼絲繩的拉力對框籃兩側(cè)的槽鋼有一個很大的往內(nèi)的拉力，如圖6所示。

圖6 吊鉤受力分析圖

在圖6中，F(xiàn)1和F2是鋼絲繩的拉力，這兩個力分別分解成 F1a和 F1b，F(xiàn)2a和 F2b，F(xiàn)1a和 F2a是提升框籃的重量，而F1b和F2b則是對框籃內(nèi)部形成了拉力，這種拉力會使得兩側(cè)槽鋼變形，如果變形嚴重會碰到電纜盤，而三根縱撐正好起到抵消這種力的作用，保護了電纜盤，同時這三根縱撐在上部也可以起到承載上層電纜框籃的作用。

3 結(jié)束語

這種吊裝框籃在受力上完全滿足了使用的要求，符合安全、可靠、便捷的運輸要求，而且還有三個突出的好處:一是可以方便、平穩(wěn)地把電纜盤放置在甲板上，不會顛簸后滾動，損傷電纜;二是電纜盤可以堆放，節(jié)約了甲板的空間，大大增加了船舶的運載量，節(jié)約了運輸成本;三是即便在陸地上運輸，也可以非常方便地起吊與裝車。

所以，無論從安全角度還是從經(jīng)濟角度來看，這種方式都是值得推廣的一種新的運載方式。

［1］徐 灝.安全系數(shù)和許用應(yīng)力［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1981.

［2］劉鴻文.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，1992.

［3］GB 50127—1994電力電纜設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］起重機設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.

［5］GB/T 3811—2008起重機設(shè)計規(guī)范［S］.