35m門(mén)式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

楊 沖

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，云南 昆明 650051）

1 概述

門(mén)式起重機(jī)是橋式起重機(jī)一個(gè)重要分支，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似門(mén)的形狀，兩條支腿可在軌道上行走，主梁上的小車(chē)也可以在主梁上行走并可以行進(jìn)到主梁外伸懸臂端，以擴(kuò)大作業(yè)范圍，也可采用帶臂架的起重小車(chē)，通過(guò)臂架的俯仰和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)大起重機(jī)作業(yè)范圍。目前，門(mén)式起重機(jī)可用于工廠、露天廠礦、施工現(xiàn)場(chǎng)、港口碼頭等作業(yè)場(chǎng)所的裝卸作業(yè)，可大大的提高工作效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，門(mén)式起重機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越廣泛。

本文以單梁桁架式起重機(jī)為研究對(duì)象，主梁截面采用三角桁架結(jié)構(gòu)，小車(chē)軌道采用I40b工字鋼，上、下弦桿都采用L160×160×10的角鋼，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 35m門(mén)式起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 35m門(mén)式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 載荷計(jì)算

本文主要對(duì)門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核主梁強(qiáng)度及剛度。根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，作用在起重機(jī)上的載荷主要有自重載荷、起升載荷、水平慣性載荷、風(fēng)載荷［1，2］。

2.1 自重載荷PG

門(mén)式起重機(jī)的自重載荷是指起重機(jī)自身的結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備以及集結(jié)在起重機(jī)某個(gè)附屬結(jié)構(gòu)上的其他重力，其計(jì)算公式如下：

其中：φ1為沖擊系數(shù)，查表取φ1＝1.1；M為跨度內(nèi)主桁架質(zhì)量，M＝6 700kg；CP為額定起重量，CP＝20t；L為起重機(jī)跨度，L＝35m；l為懸臂長(zhǎng)度，l＝13.5m；g為重力加速度，取10m／s2。將數(shù)值代入式（1）得PG＝130 554N。

2.2 起升載荷PQ

起升載荷是指門(mén)式起重機(jī)起吊額定起重量時(shí)的總升質(zhì)量的總和，而當(dāng)起升物品離地時(shí)，起重機(jī)本身的自重將因出現(xiàn)振動(dòng)而產(chǎn)生脈沖式增大的動(dòng)力響應(yīng)，最大起升載荷PQmax計(jì)算公式如下 ：

其中：φ2min為與起升狀態(tài)級(jí)別相對(duì)應(yīng)的起升動(dòng)載系數(shù)的最小值，查表取φ2min＝1.15；φ2為起升動(dòng)載系數(shù)，取φ2＝φ2min＝1.15；β2為按起升狀態(tài)級(jí)別設(shè)定的系數(shù)，與起升狀態(tài)級(jí)別HC1～HC4有關(guān)，查表取β2＝0.51；vq為穩(wěn)定起升速度，與起升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制型式及操作方法有關(guān)，查表取vq＝0.5vqmax＝0.5×0.05＝0.025。將數(shù)值代入式（2）得PQmax＝235 000N。

2.3 水平慣性載荷

起重機(jī)或小車(chē)在水平面內(nèi)進(jìn)行縱向或者橫向運(yùn)動(dòng)啟制動(dòng)時(shí)，沿起重機(jī)或小車(chē)前進(jìn)方向會(huì)產(chǎn)生水平慣性力，沿大車(chē)行進(jìn)方向的水平慣性力PH及沿小車(chē)方向的水平慣性力PM計(jì)算公式分別如下：

其中：φ為系數(shù)，考慮起重機(jī)驅(qū)動(dòng)力突變時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)，取φ＝1.5；M小車(chē)為小車(chē)質(zhì)量，M小車(chē)＝CP／3＝6 666.7kg；G小車(chē)為小車(chē)重量，G小車(chē)＝CPg／3＝66 667 N；a為啟、制動(dòng)加速度，取a＝0.15m／s2；n為小車(chē)驅(qū)動(dòng)輪數(shù)，n＝4；n0為小車(chē)總輪數(shù)，n0＝8。將數(shù)值代入式（3）、式（4）得：PH＝8 938N，PM＝19 050N。

2.4 風(fēng)載荷

對(duì)應(yīng)露天工作的起重機(jī)應(yīng)考慮風(fēng)載荷的影響，貨物所受風(fēng)載P貨風(fēng)、工字鋼風(fēng)載P工風(fēng)、沿大車(chē)行走方向主梁桁架風(fēng)載荷P大風(fēng)、沿小車(chē)行走方向的主梁桁架風(fēng)載荷P小風(fēng)、剛性支腿風(fēng)載荷P剛風(fēng)、柔性支腿風(fēng)載荷P柔風(fēng)分別計(jì)算如下 ：

其中：p為風(fēng)壓強(qiáng)度，按10級(jí)風(fēng)計(jì)算，取p＝450 N／m2；A貨為貨物迎風(fēng)面積，查表取A貨＝12m2；C為風(fēng)力系數(shù)，查表取C＝1.9；Kd為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取Kd＝1；A工工字鋼迎風(fēng)面積，取A工＝24.8m2；A片為單片斜桁架結(jié)構(gòu)的有效擋風(fēng)面積，與桁架形狀尺寸有關(guān)，A片＝ ∑Libi＝31m2，Li，bi見(jiàn)圖2；A為桁架整體迎風(fēng)面積，A＝1.25A片＝38.75m2；A主桁為主梁桁架迎風(fēng)面積，A主桁＝2.3m2；A剛為剛性支腿迎風(fēng)面積，A剛＝6m2；A柔為柔性支腿迎風(fēng)面積，A柔＝6m2。將數(shù)值代入式（5）～式（9）得：P貨風(fēng)＝6 480N，P工風(fēng)＝21 204N，P大風(fēng)＝33 131N，P小風(fēng)＝2 360N，P剛風(fēng)＝P柔風(fēng)＝5 130N。

3 工況分析

根據(jù)小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中位置的變化且小車(chē)所受風(fēng)荷載的不同，通常取小車(chē)的跨中和懸臂端兩個(gè)位置進(jìn)行分析，經(jīng)分析門(mén)式起重機(jī)各種可能的載荷組合見(jiàn)表2。

圖2 結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面充實(shí)率計(jì)算

表2 載荷組合工況

4 有限元分析

根據(jù)門(mén)式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，建立門(mén)式起重機(jī)的有限元模型，如圖3所示。主梁的上、下弦桿采用空間梁?jiǎn)卧˙EAM188）來(lái)模擬，腹桿采用空間桿單元（LINK8）來(lái)模擬，根據(jù)門(mén)式起重機(jī)實(shí)際工況，采用ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，6種工況的變形云圖如圖4～圖9所示［3－6］。

圖3 門(mén)式起重機(jī)有限元模型

圖4 工況1變形云圖

圖5 工況2變形云圖

圖6 工況3變形云圖

圖7 工況4變形云圖

圖8 工況5變形云圖

圖9 工況6變形云圖

6種工況的最大應(yīng)力和變形值見(jiàn)表3。

從表3可以看出，6種工況中，最大應(yīng)力σmax＝199 MPa＜［σ］＝230MPa，最大變形f中max＝35.1mm＜［f］中＝50mm，懸臂端位置最大變形f端max＝34.5mm＜［f］端＝38.6mm，由此可知門(mén)式起重機(jī)的靜態(tài)強(qiáng)度和靜態(tài)剛度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3 6種工況的最大應(yīng)力和變形值

5 小結(jié)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)門(mén)式起重機(jī)的荷載進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合起重機(jī)實(shí)際作業(yè)工況，確立了門(mén)式起重機(jī)6種形式的荷載組合工況，從ANSYS分析的結(jié)果來(lái)看，門(mén)式起重機(jī)在6種工況下的最大應(yīng)力和最大變形都滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故該設(shè)計(jì)是可行的。

［1］ 陳道南，盛漢中.起重機(jī)課程設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1993.

［2］ 顧迪民.工程起重機(jī)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

［3］ 尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［4］ 劉國(guó)慶.ANSYS工程應(yīng)用教程（機(jī)械篇）［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［5］ 王慶五，左昉，胡仁喜.ANSYS10.0機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］ 王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.