橋式起重機(jī)大車大梁有限元分析

李 陽(yáng)，梁 臻

（武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖北 武漢430019）

傳統(tǒng)的起重機(jī)設(shè)計(jì)往往以靜態(tài)設(shè)計(jì)為主，主要是借鑒已有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法與經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)手段多采用以古典力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的半理論半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法、類比法以及經(jīng)驗(yàn)法等，導(dǎo)致起重機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)精度較差，而且更為嚴(yán)重的是，由于起重機(jī)是一類大型的機(jī)械產(chǎn)品，其工作的環(huán)境以及工作的工況較為復(fù)雜并且多變，導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能受多種因素的共同影響，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難考慮周全這些復(fù)雜多變的因素，因此，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品其安全性有時(shí)得不到可靠的保證［1－2］.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外將動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法以及有限元分析法引入到起重機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析中，在起重機(jī)設(shè)計(jì)中采用一種新的方法——?jiǎng)討B(tài)設(shè)計(jì)仿真及有限元仿真分析，即采用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬起重機(jī)部件或整機(jī)在各種工況下隨載荷變化或時(shí)間變化的運(yùn)行狀態(tài)以及金屬結(jié)構(gòu)在多種復(fù)雜因素下的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性分析.這些先進(jìn)的技術(shù)方法很大程度上促進(jìn)了起重機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展并提高了起重機(jī)產(chǎn)品的安全性與可靠性［2－3］.

本文就是基于上述思想對(duì)橋式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)大車大梁進(jìn)行有限元分析，由計(jì)算機(jī)完成橋式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)大車大梁的分析、運(yùn)算和評(píng)價(jià)；此外，它為準(zhǔn)確分析起重機(jī)的安全性能，縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和成本，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品功能性、可靠性、安全性等提供強(qiáng)而有力的保障.

1 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

橋式起重機(jī)主要由大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、駕駛室、大車端梁、小車運(yùn)行軌道、橋架裝配、電氣設(shè)備、欄桿等部分組成.其整機(jī)主視圖見(jiàn)圖1.整機(jī)系統(tǒng)的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖

表1 主要性能參數(shù)表

2 橋式起重機(jī)作業(yè)工況

橋式起重機(jī)常見(jiàn)的作業(yè)工況主要分為以下幾種.

Ⅰ類工況：大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)均靜止不動(dòng)，并且小車靜止于大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)主梁跨中，起升機(jī)構(gòu)承載靜止的吊重或者不承載吊重.這種工況下的載荷組合為：大車橋架自重、小車橋架的靜輪壓以及其他附屬結(jié)構(gòu)的重量（例如駕駛室、走臺(tái)及欄桿等，它們可以用均布力來(lái)代替）.

Ⅱ類工況：大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)靜止不動(dòng)，小車位于大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)主梁跨中，但在承載吊重的前提下運(yùn)行制動(dòng).這種工況下的載荷組合為：大車橋架自重、小車橋架的動(dòng)輪壓、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)運(yùn)行水平慣性力（此力的計(jì)算需要考慮動(dòng)載系數(shù)φ5）以及其他附屬結(jié)構(gòu)的重量（例如駕駛室、走臺(tái)及欄桿等，它們可以用均布力來(lái)代替）.

Ⅲ類工況：大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)靜止不動(dòng)，小車位于大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)主梁跨端，起升機(jī)構(gòu)在承載吊重的前提下下降并制動(dòng).這種工況下的載荷組合為：大車橋架自重、小車橋架的動(dòng)輪壓以及其他附屬結(jié)構(gòu)的重量（例如駕駛室、走臺(tái)及欄桿等，它們可以用均布力來(lái)代替，但需要考慮動(dòng)載系數(shù)φ1）.

Ⅳ類工況：大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行制動(dòng)，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)位于跨中，起升機(jī)構(gòu)在承載吊重的前提下下降并制動(dòng).這種工況下的載荷組合為：大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)慣性力、小車橋架的動(dòng)輪壓以及其他附屬結(jié)構(gòu)的重量（例如駕駛室、走臺(tái)及欄桿等，它們可以用均布力來(lái)代替，但需要考慮動(dòng)載系數(shù)φ5）.

3 基于Ansys的橋架結(jié)構(gòu)分析

3.1 載荷情況

橋式起重機(jī)大車大梁所承受的載荷主要有大車大梁自重、小車自重載荷、吊重載荷、慣性載荷等.各部件的質(zhì)量見(jiàn)表2.

表2 各部件的質(zhì)量 kg

3.2 計(jì)算工況

常見(jiàn)的橋式起重機(jī)作業(yè)工況已在第2部分進(jìn)行了詳細(xì)描述，本節(jié)選取第Ⅰ工況進(jìn)行橋式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)中的承載部件（大車大梁）進(jìn)行有限元受力分析.其他工況分析方法類似.

由于計(jì)算機(jī)性能等原因，取其中的一個(gè)主梁進(jìn)行建模和分析，在施加力的過(guò)程中，分別取計(jì)算得到的總作用力的一半施加在單主梁上.

3.3 模型加載力

將第一大類工況安裝吊重按重量不同分為兩類小工況，作為本文分析的前提條件.

工況1：大車靜止，小車位于大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)中間位置，主起升機(jī)構(gòu)離地起吊30t；

工況2：大車靜止，小車位于大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)中間位置，副起升機(jī)構(gòu)離地起吊15t；

兩種工況下有限元分析模型的加載力分別由

求出.式中φ2為動(dòng)載系數(shù)，可取1.1～1.25.

3.4 分析結(jié)果

工況1和工況2下大車大梁節(jié)點(diǎn)位移云圖分別見(jiàn)圖2及圖3.

圖2 工況1下大車大梁節(jié)點(diǎn)位移云圖

圖3 工況2下大車大梁節(jié)點(diǎn)位移云圖

4 結(jié)論

由大車大梁在起吊貨物時(shí)的許用擾度計(jì)算公式計(jì)算而得本文研究對(duì)象的許用擾度為2mm，與分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，在本文所研究的兩種工況下，小車車架均滿足安全要求.

［1］韋樹(shù)寶.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的龍門起重機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)圖書(shū)館，2006.

［2］曾 春，徐長(zhǎng)生.橋式起重機(jī)鋼絲繩系統(tǒng)的模態(tài)分析［J］.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，18（4）：18－20.

［3］梅 杏，胡吉全，張焱清.輪胎式起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（4）：40－42.