橋式起重機(jī)偏軌主梁輕量化設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

李翔 王麗麗（新鄉(xiāng)市起重設(shè)備廠(chǎng)有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

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橋式起重機(jī)偏軌主梁輕量化設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

李翔 王麗麗
（新鄉(xiāng)市起重設(shè)備廠(chǎng)有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

【摘要】針對(duì)橋式起重機(jī)偏軌主梁的結(jié)構(gòu)形式、梁內(nèi)橫隔板的布置方式、小車(chē)運(yùn)行用軌道形式，以及主梁材質(zhì)的選擇、靜剛度的取值方面進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。并通過(guò)對(duì)偏軌主梁局部穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析，從橫隔板間距布置、結(jié)構(gòu)形式及主腹板厚度方面進(jìn)行探討，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏軌主梁輕量化設(shè)計(jì)的目的。

【關(guān)鍵詞】橋式起重機(jī) 偏軌主梁 輕量化 設(shè)計(jì) 局部穩(wěn)定性

對(duì)于橋式起重來(lái)說(shuō)，主梁是其重要承載部件，也是起重機(jī)自重所占比例最大的部件。一般主梁的重量占起重機(jī)總重的60%-70%，所以主梁的輕量化設(shè)計(jì)是起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的重要部分。目前，我國(guó)的起重機(jī)械大多采用古典力學(xué)和一些基本的數(shù)學(xué)模型作為設(shè)計(jì)手段，對(duì)主梁的設(shè)計(jì)還基本處于一種半經(jīng)驗(yàn)半理論狀態(tài)，設(shè)計(jì)過(guò)程反復(fù)多，周期長(zhǎng)，精度低，致使設(shè)計(jì)出來(lái)的起重機(jī)重量大，外形尺寸大，材料利用率低，造成資源上的浪費(fèi)。對(duì)起重機(jī)械采用輕量化設(shè)計(jì)可以使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，并能使各機(jī)構(gòu)性能和可靠性增加。另外，在節(jié)約材料，降低起重機(jī)總重，減小起重機(jī)輪壓和降低廠(chǎng)房建筑高度，降低廠(chǎng)房造價(jià)等方面優(yōu)點(diǎn)突出。

1 偏軌主梁的輕量化設(shè)計(jì)

1.1 采用窄翼緣偏軌主梁的結(jié)構(gòu)形式

從結(jié)構(gòu)形式上來(lái)說(shuō)，窄翼緣偏軌箱型主梁結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，焊接變形小，制造工藝簡(jiǎn)單，方便實(shí)施自動(dòng)焊接，抗扭轉(zhuǎn)性能強(qiáng)，所以窄翼緣偏軌主梁可以做大批量生產(chǎn)。在國(guó)內(nèi)，橋式起重機(jī)主梁的結(jié)構(gòu)形式大多為正軌或中偏軌形式。自從以科尼和德馬格為代表的國(guó)外起重機(jī)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以后，其偏軌主梁的結(jié)構(gòu)形式被國(guó)內(nèi)認(rèn)可并逐步發(fā)展，致使越來(lái)越多的起重機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家采用偏軌箱型梁。與正軌和中偏軌主梁相比，偏軌主梁因小車(chē)輪壓在主腹板上方，箱體寬度方向的上蓋板不承受小車(chē)輪壓傳遞的壓應(yīng)力，所以可以取消箱體內(nèi)部小橫隔板，從而可以減少主梁上蓋板與橫隔板的焊縫數(shù)量，容易控制制造過(guò)程中的主梁焊接變形和波浪變形。從結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度條件許用應(yīng)力：，即，其中截面抗彎模量：。代入得：所以對(duì)于箱型主梁來(lái)說(shuō)，在抵抗垂直平面內(nèi)的彎曲變形時(shí)，采用窄翼緣箱型梁可得到更高的抗彎強(qiáng)度。另外，因主梁為偏軌結(jié)構(gòu)，在主梁上蓋板寬度方向小車(chē)占用較少，主梁上蓋板可以當(dāng)做人員通道使用，不再單獨(dú)設(shè)置通道，簡(jiǎn)化附件設(shè)計(jì)，也可減輕起重機(jī)自重。所以，采用窄翼緣偏軌主梁可以達(dá)到主梁輕量化的目的。

圖1　主梁橫隔板與主梁上蓋板和兩腹板焊接

1.2 輕量化主梁橫隔板布置

因偏軌箱型主梁的主腹板承受所有小車(chē)車(chē)輪傳遞的壓力，不同于中軌箱型梁，需要小橫隔板支撐上蓋板并將小車(chē)車(chē)輪輪壓通過(guò)小橫隔板傳遞給整個(gè)主梁的箱型結(jié)構(gòu)，所以偏軌主梁可以取消小橫隔板來(lái)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1.3 小車(chē)軌道形式的變化

在橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中為降低整機(jī)高度，小車(chē)鋼軌均采用方鋼。在正軌或中偏軌起重機(jī)主梁上布置的供小車(chē)運(yùn)行用的鋼軌均為起重機(jī)專(zhuān)用軌道或P型鋼軌，鋼軌重量大。主梁固定形式采用壓板固定，鋼軌與主梁為分體結(jié)構(gòu)形式，所以鋼軌不能參與主梁剛度和強(qiáng)度計(jì)算。且鋼軌底面與主梁上翼緣板接觸面較寬，在采用壓板固定時(shí)需將主梁上翼緣板外伸部分加寬用來(lái)固定鋼軌壓板，在翼緣板外伸部分的下方需增加三角板做支撐，以抵抗翼緣板焊接和承壓變形，這樣會(huì)使主梁截面及重量進(jìn)一步增加。如采用方鋼作為小車(chē)運(yùn)行的軌道，采用焊接形式固定，方鋼本身可以參與主梁剛度和強(qiáng)度的計(jì)算，減少主梁材料的使用，也可減小主梁上翼緣板的寬度，且不需要三角板支撐外伸的主梁上翼緣板。以德馬格和科尼為代表的國(guó)外先進(jìn)起重機(jī)廠(chǎng)家，在橋式起重機(jī)主梁的設(shè)計(jì)上均采用焊接軌道的偏軌主梁結(jié)構(gòu)形式，并將方鋼作為主梁一要素參與強(qiáng)度和剛度的計(jì)算，使主梁高度降低，截面尺寸相對(duì)減小，橋架結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)減小，達(dá)到對(duì)主梁輕量化設(shè)計(jì)的目的。

2 主梁用材的選擇

通常情況下，通用橋式起重機(jī)主梁的材料均為Q235，而輕量化設(shè)計(jì)后偏軌主梁材質(zhì)按不同的情況有Q235和Q345兩種。在滿(mǎn)足靜強(qiáng)度、靜剛度、高跨比范圍和疲勞強(qiáng)度等控制條件下，以主梁輕量化為目的，進(jìn)行結(jié)構(gòu)材料的選取。在通過(guò)對(duì)兩種材料的主梁進(jìn)行計(jì)算后，在符合各項(xiàng)控制數(shù)值的情況下，主梁用材的選取情況可依照以下：

（1）起重機(jī)工作級(jí)別在A5以下的橋式起重機(jī)。（2）額定起重量在50t及以下的，采用兩種不同的材料計(jì)算出的主梁的各項(xiàng)指標(biāo)相差很小，且主梁強(qiáng)度在100-130Mpa，根據(jù)這兩種材料的價(jià)格因素考慮，所以選用Q235。（3）定起重量在50t以上，若材料采用Q345，主梁重量平均可降低13%，所以選用Q345。（4）起重機(jī)工作級(jí)別在A5及以上時(shí)。因工作級(jí)別在A5及以上時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，疲勞許用應(yīng)力為140-150 Mpa。采用Q235和Q345時(shí)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)主梁重量差別很小。但考慮板材價(jià)格問(wèn)題，所以選用Q235。

通過(guò)對(duì)Q235和Q345兩種材料進(jìn)行細(xì)化對(duì)比，靈活合理的選用材料，可一定范圍內(nèi)的降低主梁重量，達(dá)到對(duì)偏軌主梁進(jìn)行輕量化的目的。

合理選擇主梁的靜剛度：按照GB/T3811-1988版本《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，起重機(jī)靜剛度是根據(jù)起重機(jī)工作級(jí)別等級(jí)進(jìn)行劃分的，缺乏科學(xué)性。修訂后的GB/T3811-2008版本的《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)靜剛度要求進(jìn)行了重新規(guī)定：對(duì)低定位精度要求的起重機(jī)，或具有無(wú)極調(diào)速控制特性的起重機(jī)；采用低起升速度和低加速度能達(dá)到可接受定位精度的起重機(jī)：s使用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)能達(dá)到中等定位精度特性的起重機(jī)：：需要高精度定位的起重機(jī)：s新的設(shè)計(jì)規(guī)范將主梁的靜剛度與起重機(jī)的控制系統(tǒng)和定位精度向關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也指引了起重機(jī)主梁輕量化設(shè)計(jì)的方向。隨著起重機(jī)技術(shù)的發(fā)展，代表起重機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)的變頻電控技術(shù)成熟運(yùn)用，很大程度上提高了定位精度，并減少了動(dòng)態(tài)沖擊，所以在采用變頻控制時(shí)，主梁的剛度控制在不大于S/ 750即可，這樣可充分利用金屬結(jié)構(gòu)材料，達(dá)到對(duì)起重機(jī)主梁輕量化設(shè)計(jì)的目的。

3 穩(wěn)定性分析

主梁是起重機(jī)重要的承載部件，起重機(jī)主梁的局部穩(wěn)定性破壞是主梁失效的主要形式之一，主梁的局部穩(wěn)定性問(wèn)題主要針對(duì)主梁蓋板及腹板局部因受壓，使蓋板或腹板承載能力逐步減弱，致使應(yīng)力重新分配造成應(yīng)力集中，并超過(guò)強(qiáng)度破壞極限，導(dǎo)致局部失穩(wěn)并引發(fā)主梁整體破壞。在偏軌主梁穩(wěn)定設(shè)計(jì)中，其箱體內(nèi)橫隔板和加筋的布置數(shù)量及位置設(shè)置至關(guān)重要。

3.1 輕量化偏軌主梁橫隔板的布置方式

在普通的橋式起重機(jī)主梁中，橫隔板的設(shè)置一般在1m左右，根據(jù)GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，設(shè)置橫向加筋時(shí)，a=（0.5-2）b，且不大于2m，其中a為隔板間距，b為主梁腹板高度。在主梁輕量化設(shè)計(jì)時(shí)取規(guī)范中要求的最大值，即取a=2m，來(lái)布置橫隔板位置。由此一來(lái)，主梁內(nèi)部橫隔板的數(shù)量減少，在主梁整體重量上實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)的目的。另外，主梁橫隔板的減少的同時(shí)橫隔板與主梁上蓋板的焊縫也相對(duì)減少，主梁在生產(chǎn)制造過(guò)程中的熱變形容易得到控制，并減少了焊接帶來(lái)的應(yīng)力集中和疲勞破壞的可能性。

3.2 輕量化偏軌主梁橫隔板的結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，主梁橫隔板與主梁上蓋板和兩腹板焊接，與下蓋板之間留有50mm的間隙，為減輕橫隔板重量，橫隔板的中間可開(kāi)跑道型過(guò)度孔。為避免焊縫交叉和應(yīng)力集中，在橫隔板與主梁蓋板和腹板焊縫處的節(jié)點(diǎn)倒圓角，一般不小于R35，這樣可以提高橫隔板的承載力并具備良好的延伸性。橫隔板在縱向加筋位置的開(kāi)孔為矩形且沿主梁箱體中心對(duì)稱(chēng)分布。

在GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)于主梁內(nèi)部橫隔板厚度的計(jì)算，規(guī)范中與GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中出現(xiàn)的公式存在差異，原規(guī)范要求板厚為：：而現(xiàn)行的GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)橫隔板板厚計(jì)算公式為：式中：σs：材料的屈服強(qiáng)度數(shù)值。

上述公式中體現(xiàn)了材料性能對(duì)板厚度的影響，計(jì)算較為合理。

3.3 輕量化偏軌主梁主腹板板厚的選擇

因小車(chē)輪壓全部作用在主腹板正上方的小車(chē)軌道上，車(chē)輪壓力通過(guò)方鋼軌道和上蓋板傳遞到主腹板，主腹板和上蓋板的焊縫采用全熔透等強(qiáng)度焊縫，所以主腹板上緣所承受的局部壓應(yīng)力為：，其中P為小車(chē)輪壓，c=2hy+50，hy為軌頂至梁腹板上邊緣計(jì)算點(diǎn)的距離；板的板厚為：并要求所以主腹板厚度的選擇與小車(chē)輪壓、軌道高度及上蓋板的厚度相關(guān)，且不能超過(guò)需用應(yīng)力要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要探討了橋式起重機(jī)偏軌主梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的問(wèn)題，從主梁的結(jié)構(gòu)、材料、軌道、靜剛度以及穩(wěn)定性控制方面進(jìn)行研究探討，對(duì)橋式起重機(jī)偏軌主梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，從而推進(jìn)了橋式起重機(jī)偏軌主梁向輕量化、節(jié)能型方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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