【终稿全套】40吨π型结构轨道式集装箱门式起重机金属结构设计【4张CAD图纸+文档】
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拟选题目40t型结构轨道式集装箱门式起重机金属结构设计选题依据及研究意义轨道式集装箱门式起重机是众多港口起重机械的一种,它以采用市电无污染、能源充足等有点适用于固定场所的长期作业,是港口货物装卸运输的必备设备。针对世界贸易的全球发展,港口运输在世界经济贸易中占居越来越重要的地位。港口货物的装卸运输的效率高低直接关系到经济效益的高低,因此港口的起重运输设备的革新和改进就刻不容缓。传统的集装箱装卸运输方法和系统已经不能满足日益增长的经济贸易的需求。面对新时期的全球贸易的新挑战,我们不断的进行着技术、设备和管理方法的革新来提高港口的装卸运输效率,加大港口货物的出入量。不断的顺应全球化经济贸易的高速发展。就集装箱装卸运输方面的革新,我们做出下面设想:技术方面我们采用整船集装箱定位扫描系统,起重机吊具采取数控系统由电脑操作自动寻取集装箱坐标并经行精确对接吊取,代替人工手动对准吊取。能够大大提高工作效率和质量。设备改进我们采取大吨位的高效率的起吊机械,改进集装箱的装载重上限。或者采取双箱、三箱同时装卸来提高效率。管理方面我们采取全面智能化系统管理,港口机械全面实现计算机系统操控。减少人工干预,实现高效率作业。本次设计就是本着提高港口机械的装卸效率的原则,设计的大吨位、大跨度、大起升高度的轨道式集装箱门式起重机。起重量40t是现有最大的起重量,大跨度和高起升高度大大扩大了起重机的工作区域。作业能力大大提高。选题的研究现状随着国际集装箱运输事业的飞速发展,对轨道式集装箱门式起重机的要求越来越高,使得各大厂商在新研制的起重机堆码高度、跨度以及速度等主要参数上都有了较大的发展。 我国从90年代开始着手研制轨道式集装箱门式起重机,主要用于铁路系统的集装箱堆场。由于受各方面条件的限制,与国外同类产品相比,国产轨道式集装箱门式起重机还存在不少差距,如技术性能、质量水平、作业效率等相对较低,尤其是海港堆场使用的现代化轨道式集装箱门式起重机,国内尚属空白,国内市场均被进口产品所占领。随着铁路、高速公路集装箱运输业务的高速发展,我国必将形成以港口、内陆转运站为主的集装箱集疏运系统。就目前集装箱运输的实际情况来说,庞大的铁路运输远远滞后于海运和公路运输。其中的关键因素主要是集装箱堆场装卸机械落伍和严重匾乏,构成了铁路集装箱运输的瓶颈。随着集装箱运输业务的进一步发展、港口吞吐量的增加、新建码头的陆续投入使用和旧码头的技术改造、对大型、高效、性能先进的起重设备的需求量将逐年增加。拟研究的主要内容和思路本机金属结构均是钢板焊接而成的箱型结构,门架与门腿成型,门腿内设直梯,主梁上设有人孔,以方便人员进如进行内部结构检查。门架与主梁用法兰方式联结;主梁分成三段,用高强度螺栓联结;以方便运输和安装。在运输过程中,注意枕木的搁置点应放在箱体的横隔板部位,以免产生凹陷变形。 本机的起升机构、小车机构、旋转机构和大车机构均有终点开关保护。主要内容:1、主梁的设计,2、端梁的设计,3、刚性支腿设计,4、柔性支腿的设计,5、下端梁设计,6、上马鞍设计。7、载荷计算,8、主梁计算,9、支腿计算,10、下横梁的强度计算,11、连接强度验算,12、刚度计算主要参考文献1 胡宗武 汪西应 汪春生.起重机设计与实例M. 北京:机械工业出版社,2009.6.2 陈道南等编,起重运输机械,冶金工业出版社,1988年3 起重机设计手册编写组起重机设计手册M北京:机械工业出版社,19804 成大先.机械设计手册.北京:机械工业出版社,2004.5 张质文 等.起重机设计手册M.北京:中国铁道出版社,19986 中国国家标准.起重机设计规范(GB3811-83).北京:中国标准出版社,1984 7 倪庆兴,王焕勇起重机械M上海:上海交通大学出版社,1990其他说明指导教师意见指导教师签名:年 月 日指导教师小组意见指导教师小组负责人:年 月 日院(系)备案意见院(系)公章年 月 日Application of GPS on Yard CranesAbstract:GPS is a satellite navigation and positioning system developed by America. Through 24 satellites evenly distributed in the air,the system ensures that positioning information could be well received all over the world at any time. Since the system was put into operation,it has been widely applied to uses such as oil surveying,ship and aircraft navigation,construction positioning and military operation.Key Words: GPS cranes Port MachineryGPS is a satellite navigation and positioning system developed by America. Through 24 satellites evenly distributed in the air,the system ensures that positioning information could be well received all over the world at any time. Since the system was put into operation,it has been widely applied to uses such as oil surveying,ship and aircraft navigation,construction positioning and military operation. ZPMC began the study of GPS application on yard cranes two years ago with the purpose of providing the RTG with functions such as reliable straight traveling of gantry and automatic container management like RMG (Rail Mounted Crane) while keeping the RTG of its flexibility on yard changing(through longitudinal traveling). The GPS products developed by ZPMC have a positioning accuracy a round15mm and could be widely applied on yard cranes for functions like gantry auto-steering,gantry auto-traveling and automatic container management More than 50 sets of GPS products have been operating on ports in Hong Kong,Oman and Shanghai.Application of GPS on Yard Cranes It has been long known that the RTG,due to its ability of changing operation yard easily via wheel turning and longitudinal travel,is the favorite choice of many ports when ordering new equipment Due to the fact that RTG has no fixed rail however,the function of the gantry steering and position tracking are not well solved,which brings the following drawback: 1.Gantry steering work is becoming more difficult following that the RTG is becoming large r and quicker; 2.Rapid growth of international trade and container transshipment are making the stacking arrangement and operation management of containers more difficult;if the RTG is not tracked,it is inevitable that the container may be misplaced-such a mistake will result in expensive loses;Automation development of RTG is being hindered due to the shortcoming of gantry it now becomes critical to developing gantry automation while trolley and hoist of RTG has been automated to some extent;Synchronous control of gantry usually is difficult to reach for large span RMGQC In the case that gantry on seaside and landside don t travel at same speed,the crane will present skew phenomena and its performance will be degraded. such as “critical path method” to manage the operation more efficiently. 3. Auto-steering of gantry for RTG No maker how high and quick the RTG is,by making use of the “vitual rail” from GPS,excellent gantry autosteering of RTG could be realized thus the RTG Could travel very straight like an RMG and potential gantry collision with other RTGvehicles is eliminated; operators also could be relieved from the fatigue of manual steering. Gantry auto traveling of RTG with position data (initial and destination position) from the GPS system the RTG could have gantry auto traveling function at the same lane. 4. Fault free operation of RTG By combining gantry position from GPS and positions from trolley and hoist an “e-map” of containers on the yard could be set up The RTG could be so designed that its operation is only possible when the directed container from control center is coincide with the real container(by comparing the positions) 5. Automatic container management with gantrytro1eyhoist position information of the RTG messages including the operation status,current position etc could be sent all the time to the control center;In that way stacking profile of the yard could be continuously updated and manual operation statistics could be reduced to a minimum; 6. Synchronous control for largespan RMG or QC large span RMG or QC is liable to having slipping problem during gantry t raveling which in turn resents skew phenomena; then the performance of the crane will decrease. With position monitoring on both seaside and land side Synchronous control could be used to remove this problem; 7. AGV navigation traveling of AGV could be remotely controlled with the help from GPS data; 8. Position monitoring for container truck the GPS product could also be applied on container trucks for position monitoring.Application of GPS on container operation management The traditional mode of container operation in many ports is:firstly,in the operation department,information on the containers to be operated would be stored in a main computer;Secondly,the operation message for a certain container with container ID and its position will be sent via radio to an RTG Thirdly the RTG operator will drive the RTG t finish the operation;Finally,the completion of the operation will be acknowledged by the operator in that sequence, some potential problem may occur: 1.the positions of the RTGS are not clearly indicated and RTG having optimal path cant be selected;the cost then increases;2. there is no monitoring of the container,then the container may be misplaced:3. manual interference for acknowledgement is required.However the whole operation could be made in a closed loop by computers without any potential mistake involved by equipping RTGs with GPS. Also the efficiency could be raised greatly See the charts for details.Technical data of the GPS from ZPMC1System configuration1). The whole project of RTGs will be equipped with one GPS base station it consists of a dualfrequency GPS receiver and a modulating radio transmitter. The function of the base station is to send correction data of GPS position to each crane station.2). Each crane will be equipped with a GPS rover station which consists of two GPS receivers and a common radio receiver. This rover station will check the current position of the RTG with a precision at centimeter level. The position signal will be sent to the main PC to be dealt with for functions of container position and auto steering control etc. The whole GPS system is compact, simple and independent and it is easy to be 1nstalled on RTG without imposing any influence on the mechanical design.2. Technical data* power supply:1 80264VAC 5060Hz*initialization time3 min*measurement precision of GPS:around15mm (for twin GPS system);for single GPS system, theprecision could be1 5mm (recommended)or 0.5m;*radio application range:3 km*frequency:450470MHz 223.025235MHz or others;*signal output:discrete IO 8 pts,optically isolated* RS232 Interface3Series of GPS products for easy selection1). Twin GPS systemAccuracy around15mm for following application:* auto-steering of RTG* gantry autotraveling of RTG* automatic container management for RTG* fault-free operation of RTG* “emap” function for RTG* synchronous control of gantry for largespan RMG* AGV navigation2). single GPS system-accuracy available at15mm or 0.5m for following function* “e-map” function for RTG* automatic container management for RTG* faultfree operation of RTG* position monitoring for container truckGPS在轮胎式集装箱起重机上的应用摘要:GPS(全球卫星定位系统),是由美国开发创建的卫星导航和定位系统。通过空中均匀分布的24颗导航卫星,保证了定位信号在全球任何地方任意时间全天候的可靠接收。自系统投入运行以来,已广泛应用于国民经济的各行各业如石油勘探,船舶和航空导航,土建工程定位和重大军事行动。关键词:GPS,起重机,港口机械 GPS(全球卫星定位系统),是由美国开发创建的卫星导航和定位系统。通过空中均匀分布的24颗导航卫星,保证了定位信号在全球任何地方任意时间全天候的可靠接收。自系统投入运行以来,已广泛应用于国民经济的各行各业如石油勘探,船舶和航空导航,土建工程定位和重大军事行动。 ZPMC于两年前开始进行GPS在场桥上的应用研究,使场桥既能保持原有灵活转场的功能,又能象RMG(轨道式集装箱起重机)一样保证大车可靠运行和箱位管理功能。ZPMC研制的场桥用GPS系统,定位精度达到15mm左右,具有高度的自动化特征,可广泛用于场桥的自动大车行走,自动大车纠偏,自动箱位管理等功能。自开发成功,已有近50多套产品应用于香港、阿曼和上海的客户。GPS在场桥上的应用 长久以来,由于RTG能够通过轮胎转向功能,灵活地改变箱区位置而深受码头用户喜爱。然而也因为没有固定轨道,RTG在大车方向上的纠偏和定位功能一直没能很好解决,从而带来以下几方面的问题 一、 随着RTG变得越高越快司机的大车运行日益变得困难,纠偏操作更加艰苦; 二、而随着国际贸易的发展和集装箱数量的迅猛增长,码头集装箱的堆放安排和作业统计管理也变得日益困难。成千上万集装箱的数据记录 手工工作量是巨大的,另外RTG缺乏有效位置监控,难免造成集装箱的错误安放而无法跟踪这种错误对于繁忙的集装箱码头来说,造成的损失是严重的。 三、此外,RTG在大车方向上的不足也严重阻碍了RTG在自动化功能上的发展。在当前RTG的小车和起升机构实行了相当程度自动化的情况下,如何解决大车机构的自动化变得更加迫切。对于大跨距RMG和Qc其大车同步控制是令人头疼的问题。同步控制不好,则会造成大车车轮打滑或“啃轨”现象,从而降低起重机的使用性能和寿命。机需要长时间低头进行手动纠偏的疲劳作业和RTG行大车时同集装箱或其它车辆相撞的隐患:从而使RTG具有同RMG一样的大车运行功能。 四.RTG大车自动行走利用RTG的当前位置和要求作业集装箱的目标位置,结合大车自动纠偏和位置监控功能,可实现RTG的大车自动行走。届时司机只要轻触按钮,就可以实现在同跑道上RTG大车位置的自动变换。RTG防误操作功能利用RTG大车的精确位置,并结合小车和起升机构位置,组成RTG吊具的三维信息,根据码头堆场的实际布置,可转换成具体的集装箱大车箱位、小车堆位和起升层高(BERTH,BAY, LANESTACK, TIER)等信息此信息同要作业的集装箱比较如不符则禁止吊具动作,只有信息致才允许作业。这样就保证了RTG无故障操作; 五RTG箱位自动管理利用RTG的三维位置,可随时随地发布RTG的操作信息譬如作业箱量作业位置,RTG状态等信息。信息通过无线系统发送到中控室,由主机自动记录统计,实时获得RTG的各种操作数据,及时更新堆场集装箱分布情况从而节省大量的人工登记工作,并消除各种误差,实现了自动信息化管理有利于信息保存归档。 六大跨距RMG和QC的同步控制大跨距的RMG或QC在大车运行过程中容易产生因车轮而引起的“啃轨”现象,从而降低起重机的使用性能和寿命。利用GPS系统可监测大车两侧打滑情况,以利于同步控制。 七 AGV自动导航在广阔的码头堆场上,可利用RTG用GPS移动站实现对AGV的自动行走控制。 八集卡位置监控RTG用GPS移动站也可用于码头装卸设备如集卡等的位置监控,便于调度。GPS系统在码头管理上的应用 传统的码头堆场集装箱作业模式为理货操作部把当日要装卸的集装箱,根据原先计划安排好并储存在码头主机中的位置通过对讲机系统或理货员(有些码头通过无线电系统把信息显示在司机室监控屏上)把箱子代码和位置(如几号箱区几号位置等信息)告知某台RTG司机,司机再把车开到对应位置操作。其中涉及的不足有: 1.RTG的位置不够清楚,调度上容易产生舍近求远问题,增加生产成本;2. RTG实际吊具位置没有可靠监控,司机作业存在认为错误的可能性;3司机作业完毕需要人工确认 配备了RTG用GPS系统后,利用当前普遍的无线电系统,可以有效消除RTG作业中存在的各种人工因素整个生产过程由系列电脑实现闭环控制极大地提高码头生产的正确性和信息化水平,实现无纸化管理。此过程中每台RTG都将充分应用前述的箱位自动管理防误操作等功能。RTG用GPS系统技术参数一、系统配置 1.整个项目配备一个GPS基准站,具体包括个GPS接收器和一个调制无线发射电台,用于提供基准位置信号给起重机上的GPS移动站; 2每台机配置一个GPS移动站,具体硬件包括两个GPS接收器和一个公共无线接收电台用于检测当前起重机所处位置,并接收基准站差分信号从而获得厘米级的检测精度位置信号将在主机运算后送至机上PLC进步进行箱位管理和自动纠偏等处理。 整个GPS系统结构精巧,安装简单,系统具有很强的独立性对RTG的设计不产生任何结构上的影响。二、技术参数 * 工作电源输入电压:AC220V1050Hz60Hz * 开机定位时间约3 min * GPS定位精度: 15mm(双GPS系统):(单GPS系统精度可选1 5mm或0.5米,推荐15mm) * 电台有效范围:3km *电台频率可选范围:450-470MHz; 223.025M-235M或其它用户申请频率 * 标准RS232接口输出,适用于各种PLC装置 * 状态量8位,24VDC光耦隔离输出三、为了方便用户选购,目前ZPMC可以提供两种类型的RTG用GPS系统:1双GPS系统定位精度15mm左右,主要应用于:* RTG大车自动纠偏*RTG大车自动行走*RTG箱位自动管理*RTG防误操作功能*RTG定位监控(电子地图)功能* 大跨距RMG同步控制*AGV自动导航2单GPS系统定位精度可选(15mm或50厘米左右),主要应用于*RTG定位监控(电子地图)功能*RTG箱位自动管理*RTG防误操作功能*集卡位置监控9毕业论文(设计)任务书题目名称 40t型结构轨道式集装箱门式起重机金属结构设计学生姓名所学专业机械制造及其自动化班级指导教师姓名所学专业机械工艺职称完成期限一、论文(设计)主要内容及主要技术指标1、主梁的设计,2、端梁的设计,3、刚性支腿设计, 4、柔性支腿的设计,5、下端梁设计,6、上马鞍设计。 7、载荷计算,8、主梁计算,9、支腿计算,10、下横梁的强度计算,11、连接强度验算,12、刚度计算二、毕业论文(设计)的基本要求1.绘制总装配图2.绘制零部件图3.绘图量不少于三张零号图纸4.按设计格式要求撰写设计说明书三、毕业论文(设计)进度安排1-5 周:布置设计内容,查阅资料6-8 周:起重机设计方案拟定9-10 周:起重机设计计算11-12周:起重机设计数据验算13-15周:整理毕业设计16 周: 答辩目 录 摘要 .I 关 键 词 .I ABSTRACT .II KEY WORD.II 1.轨道式集装箱门式起重机总概 .1 2.总体设计 .2 2.1设计参数 .2 2.2主梁设计 .3 2.3端梁设计 .5 2.4刚性支腿设计 .5 2.5柔性支腿设计 .8 2.6下端梁设计 .10 2.7上马鞍设计 .10 3.起重机整机稳定性计算 .11 3.1空载起重机沿轨道方向起、制动时的载重稳定性安全系数验算 .12 3.2起重机满载时垂直于大车运行轨道方向的载重稳定性安全系数验算 .15 4.主桥架计算 .17 4.1载荷计算 .17 4.2主梁内力计算 .19 4.3 强度计算 .21 4.4疲劳强度计算 .24 4.5主梁稳定性计算 .27 5.支腿计算 .29 5.1载荷计算 .29 5.2支腿内力计算 .31 5.3支腿强度计算 .34 5.4支腿稳定性计算 .36 6.下横梁的强度计算 .39 7.连接强度验算 .39 7.1计算法兰板上焊缝的强度 .39 7.2刚性支腿下端与下横梁联合 .41 7.3螺栓连接计算 .42 8.刚度计算 .43 8.1静刚度和位移 .43 8.2桥架水平惯性位移 .44 8.3起重机偏斜运行对主梁产生的水平位移 .45 8.4垂直动刚度 .45 9.起重机拱度 .46 参 考 文 献 .47 致 谢 .48 I 摘要:随着国际集装箱运输事业的飞速发展,对轨道式集装箱门式起重机 的要求越来越高,使得各大厂商在新研制的起重机堆码高度、跨度以及速度等 主要参数上都有了较大的发展。 我国从 90年代开始着手研制轨道式集装箱门 式起重机,主要用于铁路系统的集装箱堆场。由于受各方面条件的限制,与国 外同类产品相比,国产轨道式集装箱门式起重机还存在不少差距,如技术性能、 质量水平、作业效率等相对较低,尤其是海港堆场使用的现代化轨道式集装箱 门式起重机,国内尚属空白,国内市场均被进口产品所占领。随着铁路、高速 公路集装箱运输业务的高速发展,我国必将形成以港口、内陆转运站为主的集 装箱集疏运系统。就目前集装箱运输的实际情况来说,庞大的铁路运输远远滞 后于海运和公路运输。其中的关键因素主要是集装箱堆场装卸机械落伍和严重 匾乏,构成了铁路集装箱运输的瓶颈。随着集装箱运输业务的进一步发展、港 口吞吐量的增加、新建码头的陆续投入使用和旧码头的技术改造、对大型、高 效、性能先进的起重设备的需求量将逐年增加。本次设计就是本着提高港口机 械的装卸效率的原则,设计的大吨位、大跨度、大起升高度的轨道式集装箱门 式起重机。起重量 40t是现有最大的起重量,大跨度和高起升高度大大扩大了 起重机的工作区域,作业能力大大提高。本机设计是基于现有产品模型自行设 计出来的,设计内容主要是金属结构方面的内容,包括主梁端梁的设计、刚性 支腿、柔性支腿等结构设计。 关 键 词:轨道式 集装箱 门式起重机 柔性支腿 结构设计 II Abstract: with the international container transportation the rapid development of our business, for rail type container door crane demand more and more, make each big manufacturers in the new development of the crane height, span and speed, the main parameters is the larger development. Our country from the 90 s began developing rail type container door crane, mainly for the railway system of the container yard. Affected by various conditions the limit, and compared with the prices of similar products abroad, domestic rail type container door crane gap there are still many problems, such as the technical performance and quality level, the operation efficiency and relatively low, especially harbor yard use of the modernization of the rail type container door crane, is still in the domestic blank, the domestic market are imported products capture. Along with the railway, highway container transportation business of rapid development, China will form, inland port container transportation system mainly transfer station. Currently the actual situation of container transportation, for the huge railway transport and road transportation sea lags far behind. One of the key factors are the main container yard loading and unloading machinery behind and serious lack of plaque, constitutes the railway container transport bottlenecks. With the further development of container transportation business, port throughput increases, the new terminals succession in use and the technological transformation of the old terminal, for large, highly effective, the performance of advanced lifting equipment demand will increase year by year. This design is in line with improving port machinery of loading and unloading the principles of efficiency, the design of large tonnage, big span, big lifting height of the orbit of the container door crane. The weight is the largest 40 t existing lifting weight, the large span and high hoisting height expand greatly the crane work area, operation capacity is greatly increased. This machine design is based on the existing product model to design out, design the content is mainly metal structure of aspects, including the design of the main girder beams, rigid a leg, flexible a leg and structure design. Key word: rail type container door crane flexible a leg structure design 1 1.轨道式集装箱门式起重机总概 本起重机专供集装箱货场上做集装箱的装卸车及堆垛之用。在龙门起重机 的行走距离内可以进行吊一箱过三箱的作业,为扩大起重机的作业范围,本机 具有两侧 13米的外伸距,加上龙门架跨度内的 60米工作长度,形成 86米长的 小车作业线。起重机可以在门架跨度内堆存 21排集装箱;在外伸距处作车道的 集装箱装卸车作业。同时,为了适应不同的集装箱堆放方向和集装箱拖车行走 方向。本机配备伸缩式集装箱索具(亦称吊具) ,索具的开闭锁动作和伸缩可以 由司机在操纵室操作。 本起重机在轨距 60米的轨道上运行,轨道型号为 QU80,以保证起重机在 额定载荷下安全使用。操纵室悬挂在小车旋转架上,和旋转架、集装箱索具一 起横移和旋转,保证司机有良好的视线,以便准确对箱操作。本起重机各机构 均为工作性机构。即都能带载动作,完成 20英尺或 40 英尺集装箱的起升、下 降、横移、旋转及整机沿堆场轨道运行。起重机的设计和校核均按我国国家现 行标准 GB3811-83起重机设计规范和 GB6070-85起重机械安全规程的 相应规定执行,以保证本起重机在集装箱装卸作业时正常工作。 本机金属结构均是钢板焊接而成的箱型结构,门架与门腿成 型,门腿内设 直梯,主梁上设有人孔,以方便人员进如进行内部结构检查。门架与主梁用法 兰方式联结;主梁分成三段,用高强度螺栓联结;以方便运输和安装。在运输 过程中,注意枕木的搁置点应放在箱体的横隔板部位,以免产生凹陷变形。本 机的起升机构、小车机构、旋转机构和大车机构均有终点开关保护。开关位置 在总装试车前按设计图要求定位。大车行走机构上的顶轨器和防台锚定销和小 车锚定销上均有行程或联锁开关,亦须在现场作定位调整。 大车机构的附属安全设备较多,有行程终点开关;门腿一侧位置设有锚 定联锁开关;在另一侧位置设有大风防爬装置;装在四条门腿上的大车行走声 光报警器以及电缆放出完毕停车开关。这里需说明一下:当操纵大车运行手柄 欲令大车行走时,首先行走声光报警器发出红色闪光,且笛声大作,警告轨道 附近人员避让,同时,防爬器电动机启动提防爬靴。当防爬靴提起高度碰及行 程开关时它一面接通行走控制电路,一面点亮松轨指示灯,行走电动机正向 2 (或反向)接触器动作,起重机启动运行。 停车时,操纵杆手柄扳回“0”位,行走电动机失电,此时行走制动器不立 即刹车,起重机可以籍惯行滑行一段距离。经过一段延时,然后制动器才失电 抱闸停车,同时防爬电机失电,防爬靴下落至路轨上,碰动行程开关,切断大 车控制回路,顶轨指示灯亮。 吊具系统: 吊具开闭锁只有在着箱开关全部动作后,才能动作。开闭锁动作完成后才 能进行起升动作。 2.总体设计 2.1设计参数 起重量 Q=40t/10t 小车自重 G x=60t 小车轨距 b=14410mm 起升速度 V 起 =25m/min 大车运行速度 V 大 =50m/min 起升高度 H 0=16.5m 跨度 L=60m 有效悬臂长度 L0刚 =13m L0柔 =13m 悬臂全长 L0 刚 =18m L0 柔 =18m 沿海 工作风压 q =250pa 非工作风压 q =800pa 材料 A3 钢 工作级别 M6 3 2.2主梁设计 (1)基本尺寸设计 取主梁高度 H 1=(1/14-1/17)L=3.66.8m 根据设计的实际要求和结构的要求取 H 1=4040mm 选用主梁为偏轨式箱形主梁 主梁宽度 B 1=(0.60.8)H 1=1.32.1m 初选 B1=1.59m 变截面长度 初选为 3m 主梁上、下翼缘板厚 0 =20mm 主腹板 1=12mm 副主板 2 =8mm 箱形梁承轨部分采用宽翼缘 T字钢拼合,型号为 600 T字钢上翼缘厚 20、腹板厚 12 图 2-1 主桥架总图 (2)主梁截面几何参数计算 4 图 2-2 主梁截面尺寸 截面积: A0=(1774X20+1650X20+4000X12+4000X8)mm2 =148520mm4 求重心坐标: 1(748201640128340165208)5209.3x mm1(3).y 求惯性矩: 33332221411706504084069. .9.93.85(m)XI33332222104117065404086.9.7.7.5()yI 5 2.3端梁设计 端梁高度 H 2=1/2H1=2020mm 宽度 B 2=1m 端梁上、下翼缘板厚 0 =10mm 腹板 =8mm 主梁和端梁采用法兰盘螺栓链接 图 2-3 端梁尺寸 2.4刚性支腿设计 根据跨度 60m,采用一刚性支腿和一柔性支腿的设计方法,柔性支腿铰接。 在门架平面计算按静定简图,在计算支腿平面内力时,采用超静定简图。由于 设计起重机为工作级别为 M6,最大轮压为 20.3t,查手册选取车轮的车轮直径 为 800,轨道型号为 QU80。由于起升高度 H0=16.5m,极限起升高度距主梁下 翼缘高度 h0=2.5m,支腿与质量连接支座高度 hz=0.3m 。6 轮台车高度 h 台 =3.415m 台车与下端梁连接支座 H 支下 =185mm下端梁高度 H 下端 =600mm 得出支腿的高度为: H 支 = H0+h0-hz-h 台 -H 支下 -H 下端 6 =(16.5+2.5-0.3-3.415-0.185-0.6)m =14.5m=14500mm 门架平面: 刚性支腿上端宽度:b 刚上 =1.2h 主 =4.8m。 为满足弯矩和扭力的强度要求,取 b 刚上 =5m。 下端宽度 b 刚下1.59/3=0.53m。 考虑车轮和支腿支撑的构造,取 b 刚下 =1000mm。 为节省材料又能符合力学的要求,将刚性支腿的构造设计为如下图形式: 图 2-4 刚性支腿 刚性支腿上截面: 7 图 2-5 11截面图 刚性支腿下截面: 图 2-6 22截面图 刚性支腿 1-1截面计算: 222(640157610)49098Amm 图 2-7 刚性支腿上端截面 整个截面是由两个截面组成,一个截面 321041205762140795.68mxI半 ( )9y434半 ( ) 整个截面的惯性矩: 10423.6mxI半 8 2124y2350.9mIA半 计算刚性支腿中间截面的尺寸属性: 298刚 中 上 1043.6xxI刚 中 上 ( )214yy275.3mA刚 中 半 ( ) 刚性支腿下端截面计算: 22(104160)603 1042574795.4mxI( )29y 231 ( ) 2.5柔性支腿设计 柔性支腿下端宽度设计于刚性支腿相同:b 柔下 =1040mm 根据 b0.7柔 下柔 上 柔 上 取 b 柔上 =1640mm 9 图 2-8 柔性支腿 支腿上截面: 图 2-9 柔性支腿上端截面 柔性支腿下端截面和刚性支腿下端截面各尺寸一样: 图 2-10 柔性支腿下端截面 柔性支腿上截面: 22(1640215760)740Am3 1044953.6mxI ( )2y12 ( ) 10 柔性支腿中间截面: 22(1340215760)6904Am3 1044753.mxI ( )2y 812 ( ) 柔性支腿下截面和刚性支腿下截面各尺寸一样,截面性质一样在此不再做 计算。 2.6下端梁设计 图 2-11 下端梁总尺寸 下端梁的两端截面计算: 图 2-12 下端梁截面22(1046201)4580Am3 9463.1mxI ( )2y 912 ( ) 11 2.7上马鞍设计 上马鞍设计与主梁直接相连,截面比较细小,起到加强桥架稳定性、水平 刚度、抗弯、抗扭能力。因为上马鞍不在支腿平面与支腿直接刚性连接,所以 所受作用力相对较小。为了简化模型在此我们不对其做考虑,把其当作进一步 加强作用。 图 2-13 支腿平面示意图 图 2-14 上马鞍的尺寸设计 3.起重机整机稳定性计算 带悬臂的龙门起重机,除验算沿大车运行方向空载起、制动时的稳定性, 还须验算垂直于轨道方向的稳定性,由于集装箱的迎风面积不大,运行速度较 12 低,故满载时的稳定性可不计算。 3.1空载起重机沿轨道方向起、制动时的载重稳定性安全系数验算 1f1340.5()1.GBKPhPh小桥 小桥 式中 G 桥 桥架重量2刚 腿 柔 腿静 总 马 鞍 台 车 下 横 梁桥 ( +G)185.40.6138t梁静 总 轨 栏 杆 电 G 梁 一根主梁的自重 G 梁 =118t G 轨 一根主梁上的小车轨道自重 G 轨 =5.4t G 栏杆 一根主梁一侧的平台栏杆的自重 G 栏杆 =10t G 电 位于平台上的电气设备的重量 G 电 =4.6t G 刚腿 刚性支腿的自重 G 刚腿 =18t G 柔腿 柔性支腿的自重 G 柔腿 =12t G 马鞍 马鞍自重 G 马鞍 =10t G 台车 大车运行台车总自重 G 台车 =40t G 下横梁 下横梁自重 G 下横梁 =15t2 tt桥 ( 138+210+45) =6 Pf作用在桥架和小车上的工作状态最大风力。 计算风力时,前面一排的主梁,马鞍、支腿、下横梁及大车 轮组遮挡后面一排主梁、马鞍、支腿、下横梁及大车轮组。故后面一排受 风面积应减小,减小程度用折算系数 表示。 风力计算公式分别为: fnPckqA前f 后 f nck后 13 f nPckqA后 式中 P 作用在桥架与小车上的非工作状态的最大风力 C风力系数 c=1.6 Kh风压高度变化系数,K h=1 计算非工作风压时,K h=1.13 q 第类载荷的风压值 q =250Pa q 第类载荷的风压值 q =250Pa 折算系数,根据 a/h值查 a/h=3.25 4 h1桥架与小车挡风面积形心高度 工作状态最大风力 Pf及非工作状态最大风力 P f和其相应的迎风面和形心 至大车运行轨顶的高度 h,计算如表: 表 3-1 力 矩 名称 迎风面积 A (m 2) 形心高度 h1 (m) 工作风载 t 非工作风 载 t 1fPh 1f 主梁 384 21 15.36 55.5 322.56 1165.5 刚腿 17.4 16 0.696 2.51 11.14 40.16 柔腿 18.85 17 0.752 2.71 12.78 46.07 马鞍 2.8 25.4 0.112 0.40 2.84 10.16 下横梁 12.8 3.8 0.48 1.80 1.82 6.84 小车 16 24 0.64 2.31 15.36 55.44 司机室 4 18 0.16 0.58 2.88 10.44 大车车轮组 2 0.5 0.08 0.29 0.04 0.145 求各部件迎风面积及形心至大车运行轨顶的高度时,分别参照符图从表 3- 1的值如下: 132.561.42.7841.25.3680.4369.2/fPh tm 14 165.4016.70.16845.10.45134.7/fPh tm P桥起重机运行起、制动时引起桥架水平惯性力 gtGV桥 大桥 制 式中 t 制 起重机制动时间,t 制 =7秒。 在计算稳定性时,取紧急制动时间,t 制 =3.5秒。50.2439.8163.GPG桥桥 桥 h3桥架重心高度。 由于 2刚 腿 柔 腿静 总 马 鞍 台 车 下 横 梁桥 ( +) 故 P 桥 h3值列表中: 表 3-2 名称 重量 G(t) 重心高 度 h3(m) 惯性力 P 桥 (t) 力矩 P 桥 xh3 (t/m) 2G静总 276 23 6.7 154.1 2G刚 39 16 0.9 14.4 2G柔 24 17 0.58 9.86 2G马鞍 10 26 0.24 6.24 2G台车 80 1.8 1.94 3.5 2G下横梁 30 3.8 0.7 2.6633hh154.986.243.56190.7t/mP桥 桥 P 小 起重机运行启动,制动时引起的小车水平惯性力 0.21.t9.8163.5GG小小 小 h4小车重心高度 h 4=24m B轨距 B=16m10.5(680)1645287.1.449.7.43.K 15 3.2起重机满载时垂直于大车运行轨道方向的载重稳定性安全系数 验算 图 3-1 门架平面分析12201 0 h2 1.4QLGPhPKL 刚小 小桥 刚 式中 P 2作用在集装箱上的工作状态最大风力。hq1.6259.317tCA集 h2小车轨顶至大车轨顶间的距离 h 2=23.2m PQ小车运行起、制动时引起的物品水平惯性力 P 小 小车运行起、制动时引起的小车自重水平惯性力 24n7QG制小小 式中 2起升载荷系数 当 V 起 =25m/min时 2=1.17 4运行冲击系数 V 小 小于 60m/min时 4=1.1 n 制 小车制动的轮数, n 制 =4 16 n小车的总轮数 n=241.720.1845.t2QP小 h2=h4=23.2m P1 作用在桥架与小车的纵向工作最大风力; h1桥架与小车纵向挡风面积形心高度 P1 和 h1的计算列表为: 表 3-3 名称 迎风面积 A 形心高度 h1 工作风载 P 力矩 h 主梁 70.4 21 2.8 58.8 刚腿 46.4 16 1.85 29.6 柔腿 46.4 17 1.85 31.4 马鞍 14.4 25.2 0.576 14.5 司机室 6 18 0.24 4.3 下横梁 15.8 3.8 0.63 2.4 大车轮组 9.8 0.5 0.38 0.2 =141.2t/mhP 所以: 16048134.2173.2543.22 761.40K 自重稳定性安全系数 ,见图和下式计算。 110.51.5hP( G桥 +小 ) B 式中 由上表数值得出:110.53.01547K( 6+8) 可见起重机的稳定性满足富余很大可保安全。 17 4.主桥架计算 4.1载荷计算 起重机的各种载荷不可能同时作用于金属结构,应按各种载荷出现的频繁 程度与结构的重要性根据起重机不同工况,考虑最不利的情况下,进行合理组 合。 (1)主梁自重载荷 主梁的单位重量: 34q019.801./26GFNmLl静 总 (2)一根主梁上小车集中载荷 由于小车的轨距相对主梁桥梁的长度过小,故计算时将车轮压力计算为一 点压力,作为集中载荷,作用于主梁上的移动载荷。 35()/2(108)9.10/29.810Qxcpmg N 由于 简便起见 用 代替 , , =1.1421424 (3)端梁自重 分配于主梁端部为固定集中载荷: 3449.810.91dFN (4)惯性载荷 一根主梁上的小车惯性力为: 549.8107.104HxPN 18 一根主梁自重的惯性力: 431.30.951/HFqPNm 端梁自重作用在主梁端的惯性力为: 32.7014dH (5)偏斜运行侧向力 由于本起重机采用刚、柔性支腿,故侧向力主要作用在刚性支腿架下面。 满载小车在主梁跨中央 支腿下面采用 6车轮台车,2 个一组 刚性支腿端总静轮压: 361 1 1P()(461208)9.0.79023RGP N桥 由 查得06.8LB0.5 偏斜侧向力为: 641s.079.1508.9102RP N 满载小车在主梁左端极限位置 刚性支腿下端车轮总静轮压为: 362111P)468012)9.0.4032RGP N桥( ( 65s22.5.R N (6)扭转载荷 偏轨箱形梁有垂直载荷和水平惯性力的偏心作用而产生的移动扭矩,其他 载荷产生的扭矩较小而且作用方向相反,故不做考虑。 偏轨箱形梁弯心 A在梁截面的对称形心在 x轴上, (不考虑翼缘板外伸部分) 19 弯心至主腹板中线的距离为: 21281()(1590)632ebm 图 4-1 扭转载荷计算 轨高 h g=152mm1 (2015)2172gHhm 移动扭转力为: 551.9863.80pTe Nm4702.17.1HxPh 4.2主梁内力计算 (1)主梁垂直平面所受的内力 小车位于跨中央对主梁产生的垂直弯矩: 20 图 4-2 垂直面受力分析 图 4-3 小车位于跨中位置时主梁垂直截面内力分析2 542420479.8106.3106.3108()( )8482.01qcvFLPlMNm 跨中内扭矩为: 5()4.1702ncPHTTNm 跨中主腹板所受剪力为: 541.102pF 小车位于悬臂极限位置,对主梁跨端或悬臂根部产生的垂直弯矩: 21 图 4-4 小车位于悬臂极限位置时主梁垂直截面内力分析 2 420 5 446 1.308()1.(9803.9108)1.70qdvbdFlMPNm 小车位于悬臂极限位置处主梁支腿端部截面所受扭矩: 58.3410ndPHTNm 小车位于悬臂极限位置处主梁支腿端部截面所受剪力为: 64.pdF (2)主梁截面水平载荷产生的内力 小车位于跨中时产生的水平弯矩: 02104433233246 ()()()8710.60.951.768(.95.71).022.80HWHWHWc sFlPLMpBNm 小车在悬臂极限位置时主梁跨端产生的水平弯矩: 020 2033244 46()1().95.7)1871.3 6.91083.5HWcHWsFlMPlpBNm 4.3 强度计算 22 (1)主梁跨中的强度计算 需要计算主梁跨中截面危险点 1、2、3 的强度 图 4-5 主梁截面 主腹板上边缘点 1的应力 主腹板边至轨顶距离为: 0520172yghm 主腹板边的局部压应力为: 5411.987.06(270)12mPMpaC 垂直弯矩产生的应力为: 7301 1.0496.6.893.850 xMy paI 水平弯矩产生的应力为: 63102 102.72.7.6.5yx MpaI 惯性载荷与侧向力对主梁产生的轴向力较小且作用相反。应力很少故这此不 计算。 23 主梁上翼缘的静矩为: 0103(.5)2174(986.10)72yBm 主腹板边上的切应力为: 57531 6.40.4.1020378(28)927.FpSyTnIxAMa 式中:A0 为主梁的过四边中心线的截面面积: 20159402639180Am 点 1的应力:002.5Mpa222 231.957.0613.957.063.16.877mpa 点 2的应力: 736321 10.0425.902.5892.3.8.710.736.1.9yxIIMpapa 验证合格 点 3的应力: 736322 110(30)2.045.902.89.1.51.53857.(0.7)6.yxIIMpapa( ( ) 小车位于悬臂极限位置处主梁支腿根部截面的强度计算 仍然验算该截面的 1、2、3 点的强度 主腹板上边的切应力为: 5.420FpSyTnMpaIxA 24 点 1的应力: 736311002 1 10.096.0.572.3858.37.56yxMIpa 2222 20067.0657.35.41.17m 点 2的应力: 点 736322 1 10.025.90.592.3.8.79.54.1.5yxMIIpaMpa 点 3的应力: 736322 1 10(30)1.025.90.589.1.(3875(947.816.yxIIpapa ) 4.4疲劳强度计算 桥架工作级别为 M6,应按载荷组合计算计算主梁跨中的最大弯矩截面的 疲劳强度。 由于水平惯性载荷产生的风载产生的应力相对较小,为了简化计算故忽略。 主梁自重弯矩: 图 4-6 主梁自重弯矩 25 满载小车在跨中时对主梁的弯矩: 图 4-7 集中载荷作用的弯矩 满载小车在悬臂极限位置时的弯矩: 图 4-8 集中载荷作用的弯矩 由此可见主梁中间位置截面的疲劳破坏最严重,以下验算中间界面的疲劳 强度: 跨中最大弯矩为: 7max2.041McvNm 跨中的最小弯矩为,满载小车在悬臂极限位置: 200424256in()81.361.389.103)2.810qFLlPl Nm (1)验算主腹板受拉翼缘板焊缝 4点 的疲劳强度 26 图 4-9 主梁截面 73max20ax 1().4203.909.685My MpaI63in20in 1().5370 xI 应力循环特性: mi15.1ax09.6Mpa 根据工作级别 A6,应力集中等级 K1及材料 Q235,查得 -1=119Mpa 焊缝拉伸强度许用应力为: 1.67.6719 82.300.rt Mparmax9.rtMpa( 合 格 ) (2)验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处 5点疲劳强度 73max2ax 1(70).493.06.88y MpaI 27 63min2in 1(70).8973.014.65xMy MpaI 应力循环特性: i14.60.137ax038pa 根据工作等级 A6材料为 Q235,横隔板采用双面连续贴角焊缝连接,底板与 受拉翼缘板的间隙距离为 50mm,应力集中等级为 K3。 查得-1=71Mpa。 1.67.671 08.700.3rt Mpar 符合要求。max.38rt 4.5主梁稳定性计算 (1)整体稳定性 402.536hb 整体稳定性符合要求。 (2)局部稳定性 翼缘板稳定性: 015879602b 需设置一条纵向加劲肋在垂直中心线处,不再进行验算。 翼缘板最大外伸部分: 0157.152eb 稳定满足。 主腹板稳定性: 28 043.2012h 副腹板稳定性: 0450328h 需设置横隔板及三条纵向加劲肋,主腹板设置相同,其布置显示于图: 图 4-10 主梁加强布局 横向大隔板间距 a=2000mm 纵向加劲肋位置 140.28hhm 且23 3240ahm 宽翼缘添加小隔板的间距为 a0=400mm 加劲肋尺寸的确定: 大隔板的厚度为 =8mm,板中孔尺寸为 1200mm3590mm 上翼缘板纵向加劲肋选用10 取 h=150。 厚度 ,取 。34l10 腹板: 1576.0b8 38 需设置横向加劲肋 a=1.5m。 并设置一条纵向加劲肋在中线处。 宽度 h10,取 h=120。 厚度 ,取 。34l8 图 5-9 柔性支腿加紧肋 图 5-10 刚性支腿加劲肋 39 6.下横梁的强度计算 经分析下端梁 5点为危险点,5 点受双向载荷。 5点的应力为: 521.06yMNm 图 6-1 下横梁端截面6212.4510 xMNm 在截面内位于支腿腹板正对下侧添加 2横向大隔板截面面积为: 264080A55563 39 91.12280.4501.063.1.1278.27yxxNPMIIpa( ) 7.连接强度验算 支腿上端与主梁通过法兰盘用螺栓连接,下端与下端梁焊接。 7.1计算法兰板上焊缝的强度 支腿与法兰采用焊接连接,采用 40 周边贴角焊缝连接,焊缝高度 。8fhm 刚性支腿上法兰平面和焊缝在 X方向的作用力为: 图 7-1 支腿受力 所受的弯矩为: 612348.7510ccccMMNm 水平惯性力 F为: 4w.6H大 车 大 车 计算焊缝的惯性矩: 图 7-2 焊缝连接 焊缝截面性质: 22(64015762)0.49638.f fAhm 41 32104(.7560.785)42.659f fIxhhm3 2101104(. .)26.984.732.659yf ff fIhhm2【 ( ) +7( +89) 】 经过分析焊缝端点 6点为应力最大点,6 点的应力为:4.7938.Ff MpaA 631.702509.5.4Myx paI 222.61nkFM 0.8.175 9pa 验算合格。 柔性支腿不受弯矩作用,其他受力过小,故在此不做计算。 7.2刚性支腿下端与下横梁联合 采用 10mm焊缝,焊接计算。 图 7-3 焊接布置32 104120.75680140.72.397yf fIhhm 42 61.4250yMNm 任意外侧的一点 7: 63710.892.5937yx MpapaI 7.3螺栓连接计算 图 7-4 螺栓布置 (1)刚性支腿与主梁的连接 由支腿的受力分析可得出距 y0轴最远的一排螺栓的受力最大,竖直方向的 压力最小值为 0。 63921()8.7510508315niMGeyPl N222219253608560144708.7niym 共采用 92个普通螺栓,孔径的 40mm。螺纹小径为 。031.87dm 43 单个许用拉力为: 22031.874016254lldPN 其中 .l Mpall 验算合格 单个螺栓的剪力: 48.736109.562ljFPNn.10824ljd 合格ljjP (2)柔性支腿与主梁的连接 柔性支腿与主梁采用铰接,受单向较小作用力,在此不在计算。 8.刚度计算 8.1静刚度和位移 图 8-1 刚度计算 (1)满载小车位于主跨中产生的垂直静挠度 333152614 8()8()4129.00.(2613.7833.8pLPLpKYEIKEIILLY 验算通过。 44 式中: 集中载荷59.810pN 2.6E 137850Ix 为刚性支腿对垂直平面的折算惯性矩,可以近似取支腿距1. 小端为 0.72H处的截面惯性矩。 113.78502.36IHkL (2)满载小车位于悬臂端极限位置产生的静挠度 2 51 12839.8103() (03126.760.497)0.cpLKYlLEIlcY 8.2桥架水平惯性位移 3224 422510510(3)880.766.356(3180)41.41.32Hs syyCPLFxlxEI LL 合格。 8.3起重机偏斜运行对主梁产生的水平位移 342510.18602.70.853wspsypsPLXLEIX 45 式中 起重机偏斜运行超前力 wsP5401.620183.610siBNL 8.4垂直动刚度 门式起重机的动刚度以满载小车位于起重机指定位置产生的满载自振频率 来表达。 图 8-2 门式起重机垂直自振频率的计算 满载小车位于跨中或悬臂端工作时,应按同一标准来检验起重机的垂直自 振频率,计算模型如图所示,门式起重机的垂直自振频率(HZ) 。 可用下列公式来计算: 012()(1v vgf fy 起重量: Qmk 小车量: 8xg 桥架中点的质量为: 10.50.51780.145260816725xkAL kg 起升钢丝绳最大下放长度为: 2rqrlHm 桥架跨中静位移: 3 530 189.81060.497() .84248QxPLky mEI 46 起升钢丝绳选用直径为 36mm,钢丝绳滑轮组的静伸长为: 60 51.70124.5887.3QrPl mnEA 结构影响系数为: 2 20121619.()()0.19460845ym 起重机跨中的垂直自振频率为: 01198102()(2(.24.5)(.946).gfyfHZ 验算合格。 小车位于悬臂端频率小在此不做验算。 9.起重机拱度 为使小车正常运行,门式起重机的主梁需在跨间设置拱度,在悬臂设置翘 度。 主梁跨中央的上拱度取为 ,悬臂端的翘度取为 ,其它部分按二次抛10L30l 物线变化。考虑制造误差和可能引起的变化(减小) ,允许将拱度和翘度值增大 40%。 47 参 考 文 献 1张质文.起重设计手册M.中国铁道出版社,1998:120135. 2王金诺,于兰峰.起重机运输机金属结构M.中国铁道出版社,2002:167254. 3起重机设计规范(GB3811-83)M.北京:国家标准局出版社,1983:231287. 4港口机械设计手册M.人民交通出版社,2010:278365. 5陈道南,盛汉中.起重机课程设计M.冶金工业出版,第二版:122154. 6徐格宁.机械装备金属结构设计M.机械工业出版社,第二版:65112. 7陆国贤.门座式起重机设计M.人民交通出版社,1985:121145. 8陈玮璋,顾迪民.起重机械金属结构M.人民交通出版社,1986:145176. 9胡宗武,顾迪民.起重机设计计算M.北京:科学技术出版社,1989:156178. 10起重机设计规范(GB/T3811-2008)M.北京:国家标准局出版社,2008:114201. 11张钢.轨道式集装箱门式起重机在港口的应用J.2004 年第 7期:1215. 12丁敏,张德文.大跨距轨道式集装箱门式起重机结构计算分析J.2009 年第 13期: 3439. 13彭传圣.集装箱门式起重机应用现状分析J.2004 年第 18期:2530. 48 致 谢
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