F-TR锁是我国自主研发的新型集装箱锁，其具有独特的鹰头结构，在安全性、经济型、适用性、可靠性等方面处于世界领先水平[1-2]。但是，在集装箱装卸车作业过程中，会出现车辆脱轨、集装箱角件不落锁等安全问题[3]。查阅文献可知，国内有关研究人员对集装箱角件在F-TR锁上的运动轨迹有过研究分析，但这些分析并不系统。而集装箱重心偏移，会对集装箱的落箱和出箱造成很大的影响。本文借助国内外知名的多体动力学仿真分析软件SIMPACK，以集装箱空箱为例，建立详细的包含F-TR锁和集装箱等在内的吊装系统动力学仿真模型，分析装箱前集装箱的姿态、装箱和卸箱时角件的运动轨迹和受力情况，进而研究对安全性的影响。

 

1 吊装系统动力学仿真模型

吊装系统动力学仿真模型，包含F-TR锁、集装箱空箱、单钩吊、吊具和平车车体等五部分，另外，为了能够反映集装箱装卸时，角件和F-TR锁复杂的接触情况，使用了特殊的接触力。1.1 F-TR 锁动力学动力仿真模型在集装箱装卸时，角件和F-TR锁会发生复杂的接触，如点与面、线与面、面与面等多种接触，为了能够准确地描述这些接触，需要建立精细的F-TR锁几何模型。首先，根据图纸，在CAD软件中，建立详细的F-TR锁三维几何模型，在保证几何模型细节完整的情况下，再以STL格式导出；其次，在动力学仿真软件中，导入该文件，设置合理的缩放系数和位置调整参数，得到的F-TR锁动力学仿真模型如图1所示。

 

 

图 1 F-TR 锁动力学仿真模型

 

1.2 集装箱空箱学动力仿真模型

在集装箱的一侧，有一个质量为168kg的门，会造成空箱产生重心偏移，相对于重箱而言，可以更加明了直观地贴近实际情况，这也是本文选择空箱为研究对象的原因。角件在集装箱的底端四角布置，跟F-TR锁类似，也是集装箱装卸发生碰撞时的主角之一，因此，根据图纸，在CAD软件中，建立详细的三维几何模型，以STL格式导出，将该文件导入到动力学仿真软件中，设置合理的缩放系数和位置调整参数，空集装箱的动力学仿真模型如图2所示。

 

 

图 2 集装箱空箱模型

 

1.3 单钩吊、吊具和平车模型

在国内货场中，集装箱吊装设备有正面吊、门吊等，其中使用单钩的场合还有不少。在单钩吊中，缆绳相对于滑轮有小幅度的自由转动，在动力学仿真模型中，充分地考虑到了这一点，那么，这样可以更合理地在动力学仿真模型中反映集装箱重心偏移的情况。

 

平车模型，不是本文建模的重点，故进行简化处理，不再考虑轮轨关系、转向架等。在平车车体上，F-TR锁在地板面四角，其鹰头方向 (上锥方向) 为同端同向、两端反向布置。

 

1.4 角件与 F-TR 锁接触

如前文所述，角件和F-TR锁的接触情况复杂，接触的合理模拟是仿真的关键点之一。在多体动力学仿真软件SIMPACK中，有丰富的接触计算方法，如点对点、曲面对曲面和体对体的接触模拟，尤其在体对体的接触中，有规则几何体（如圆柱、球体）接触计算的赫兹接触算法，有基于几何外形的接触方法，还有PCM（多边形）接触法，因为在角件和F-TR锁之间的接触仿真模拟中，涉及平面、圆面、倒角面等多种复杂接触和摩擦效应，所以，选用SIMPACK软件中的PCM方法来模拟二者间的接触作用。

 

在PCM方法中，每个接触面上，法向刚度cn与接触面积A的关系：

 

 

 

其中，b是弹性层的厚度，K与材料的杨氏模量E和泊松比 υ 的关系如下式（2）所示：

 

 

 

接触面E和F 之间的合成刚度cn,total由式（3）确定

 

 

 

根据上述方法，建立了这二者之间的作用力，选择标准的弹性层接触方式，输入这二者的材料参数，如杨氏模量、泊松比等，并考虑接触时的阻尼起作用方式和动摩擦作用。

 

利用PCM方法，模拟接触零部件之间的作用力，参数少且含义明确，还考虑到零部件材料的特性，这样，可以保证模型在计算时有合理的仿真结果。

 

1.5 吊装系统动力学仿真模型

整个吊装系统动力学仿真模型的自由度如表1所示，模型中有12个刚体， 8个自由度，接触力有4个，点对点力4个，单边力4个。整个模型如图3所示，顶部深蓝色的为吊点，底部浅绿色的是平车车体，蓝色线框代表集装箱，纵向x是从集装箱中心指向门，垂向z是集装箱中心指向蓝色的吊点，横向y是垂直于纸面方向。

 

表 1 模型自由度

 

 

 

图 3 吊装系统模型

 

2 集装箱姿态变化

吊装系统动力学仿真模型，原始的状态如图3所示，集装箱、车体等的中心都在一条垂线上。此时，蓝色的吊点距轨面12m，集装箱底面距轨面1.7m，在左侧集装箱门的作用下，形成集装箱重心偏心，集装箱绕着吊点会在一定范围内摆动，最终会停止下来，集装箱带门的一侧会下沉，相反一侧会翘起，集装箱底面与平车地板面形成一个夹角，经计算该角度是1.69°，集装箱底部中心点与平车中心会在x轴方向产生偏离，数值是153.846mm，如图4所示。另外，靠近门端和远离门端的角件，其中心高度差为172.753mm。

 

 

图 4 装箱前集装箱状态

 

3 装箱动力学仿真结果

由上述装箱前集装箱状态可知，如果此时，直接吊装集装箱，角件与F-TR锁根本就装不上。根据吊装现场经验，一般会把吊点向集装箱重心位置移动一下，因此，在模型中，将吊点等相关的刚体沿x轴正方向移动153.846mm，让角件孔中心正对着F-TR锁中心。在集装箱吊装过程中，匀速下吊的速度是0.1m/s，集装箱姿态变化如图5和6所示。从图5，集装箱点头角变化可知，从0.64s开始，集装箱点头角呈“步进式”减小，在1.4s之后，近似于“线性”下降，在2s之后，又近似于“步进式”变化。从图6可知，集装箱的摇头角变化类似于字母“W”，角度变化最大幅值为0.37°，比蒲少华提到的在集装箱垂直落锁时水平转角0.34°略大[3]。图7、8和9，分别是角件和F-TR锁的接触力，黑色、红色、绿色和蓝色曲线分别是靠近集装箱门端左右侧和远离门端左右侧的接触力。

 

从上述结果中，不难看出集装箱重心偏移的影响：

1) 靠近集装箱门端的两个角件先于远离门端的两个角件，与F-TR锁接触；

2) 落箱过程中，集装箱会因为角件与F-TR锁的接触发生两次绕z轴的旋转，摇头角比不考虑重心偏移时的略大；

3) 靠近门端的角件与F-TR锁垂向接触力，比远离端的幅值要大。

 

 

图 5 集装箱转角β

 

 

图 6 集装箱转角γ

 

 

图 7 角件与 F-TR 锁纵向接触力

 

 

图 8 角件与 F-TR 锁横向接触力

 

 

图 9 角件与 F-TR 锁垂向接触力

 

4 卸箱动力学仿真结果

集装箱卸箱过程中，匀速提升的速度是0.1m/s，集装箱姿态变化如图10和11所示。图12、13和14，分别是角件和F-TR锁的接触力，黑色、红色、绿色和蓝色曲线分别是靠近集装箱门端左右侧和远离门端左右侧的接触力。图15是远离和靠近门端，两侧角件的中心高度差。从图12至14可知，在0.5s时，角件和F-TR锁的接触力基本上变为0，也就是二者脱离了，而从图10可知，集装箱点头角此时为0.32°，同时，从图15可知，此时远离和靠近门端的两侧角件的中心高度差为33.2mm，远小于装箱前的172.753mm。

 

从上述结果中，不难看出集装箱重心偏移的影响：

1) 靠近集装箱门端的角件略晚于远离门端的角件，与F-TR锁脱离；

2) 卸箱过程中，集装箱会因为角件与F-TR锁的接触发生两次绕z轴的旋转，但是时间间隔很短；

3) 由于F-TR锁的尺寸和起吊速度快的原因，卸箱过程集装箱的点头角要比装箱时的小，两侧角件的高度差也要小得多。

 

 

图 10 集装箱转角β

 

 

图 11 集装箱转角γ

 

 

图 12 角件与 F-TR 锁纵向接触力

 

 

图 13 角件与 F-TR 锁横向接触力

 

 

图 14 角件与 F-TR 锁垂向接触力

 

 

图 15 远离和靠近门端角件中心高度差

 

5 结论

通过集装箱角件与F-TR锁运动关系动力学仿真计算可知：

1) 利用SIMPACK软件强大的建模功能，集装箱F-TR锁和角件等零部件的动力学仿真处理很恰当；

2) 利用SIMPACK软件中特有的接触力，可以完美地模拟集装箱F-TR锁和角件之间复杂的接触；

3) 集装箱重心偏移，对集装箱的姿态、装箱和卸箱都有很大的影响，尤其是在装箱过程中，影响更大，所以，在实际吊装时，需要对集装箱重心偏移严格控制，以避免事故的发生。

 

资料来源：达索官方