900t移梁機吊具設計與優(yōu)化

樂鋒

摘要：本文對已有的900t移梁機雙線梁吊具進行分析，闡述了吊具存在的吊取范圍小、變換吊桿位置不方便等問題。提出了通孔式吊具的方法，并將其應用于單線梁的吊取，再通過對吊具進行相應的計算和有限元分析，驗證了此方法在不影響安全的情況下，進一步提高其適用范圍的可行性，望本文可以對類似的改良設計提供參考。

Abstract： This paper analyzes the two-wire beam spreader of existing 900t beam-shifting machine， and expounds the problems of small lifting range and inconvenient change of the boom. The method of through-hole spreader is put forward and applied to the lifting of single-line beam. Then the corresponding calculation and finite element analysis of the spreader are carried out to verify that the method can further improve the feasibility of the scope of application without affecting safety， to provide a reference for similar improved design.

關(guān)鍵詞：受力分析;改善措施;通孔式吊具有限元分析

Key words： force analysis;improvement measures;limit element analysis of through-hole spreader

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0285-04

0? 引言

隨著我國鐵路建設的高速發(fā)展，建設中需要吊運的梁的數(shù)量和類型也越來越多，移梁機也由此得到了大量的運用，而吊具則是移梁機實現(xiàn)移梁作業(yè)必不可少的部件。900t移梁機在吊取不同類型的梁之前，需要通過卷揚機將吊具放到適當高度，再根據(jù)箱梁上吊裝孔的布置情況將吊桿人工安裝到相應的吊具預留孔上。吊梁時，將吊具調(diào)整到梁的吊裝孔上方對齊后緩緩放下使吊桿下端通過梁的吊裝孔，所有吊桿用配套的螺母固定并檢查合格后便可進行移梁作業(yè)。

現(xiàn)用的900t移梁機吊具只有3.8米和3.66米的雙線梁預留孔，且兩種預留孔之間并未完全貫通，每次需要吊取另一種梁時都需要將吊桿上的螺帽拆卸后拔出吊桿換裝到另一種預留孔上，并不便捷;若需吊取單線梁則吊裝孔距為2米左右或者其他類型的梁時，還得更換吊具或者重新設計制造新吊具，不僅增加了成本，還影響了提梁效率。

1? 通孔式吊具的模型設計

1.1 設計原理

現(xiàn)用的900t移梁機吊具只能用于上述兩種吊裝孔距的雙線梁，吊取范圍小，調(diào)整吊桿位置不便捷，很大地影響到了提梁效率。針對這兩個問題，結(jié)合現(xiàn)工程中吊取的單線梁吊裝孔距最小為2米的實況，為減少設計和制造成本，將現(xiàn)有吊孔的結(jié)構(gòu)改造為通孔式吊孔，范圍為2-3.8米，并對改造后的吊具結(jié)構(gòu)進行受力分析，添加相應的加強措施。這樣在吊取不同吊裝孔距的梁時僅需要在通孔中左右移動吊桿即可，也方便進行臨時調(diào)整。此設計不僅改善了吊具吊取不同梁型時換吊桿不便的情況，擴大了吊具的適用范圍，提高了移梁機的工作效率，還提高了吊具的重復利用，減少成本和制造新吊具的時間。

1.2 方案描述與確定

根據(jù)吊取單線梁的需要，需在吊具上增加2米式的預留孔，由此提出了以下兩種設計方案，并分別論述了各自的優(yōu)缺點，最終選定了采取方案二（通孔式吊具方案）。

方案一：直接在吊具上切割出橫向間距為2米的預留孔，并將3.8米和3.66米的兩種預留孔之間完全貫通。

優(yōu)點：對吊具的改動較小，易于操作，滿足目前三種梁型需求。

缺點：吊取吊裝孔距在2米和3.8米/3.66米的梁之間轉(zhuǎn)換時，任需要將吊桿拆卸下來再安裝到相應位置去，若需吊取其他吊裝孔距的梁時將不適用，吊取范圍較小。

方案二：直接將吊具切割出預留孔距為3.8米-2米的通孔。

優(yōu)點：吊取的范圍足夠大，多種梁型通用，吊取的梁的吊裝孔孔距改變時方便調(diào)整，不用將吊桿拆下重裝。

缺點：對吊具的改動較大，操作難度增加。

綜上，雖然方案一簡單易行，也能滿足要求，但是考慮到后續(xù)可能將其運用到吊裝孔距為2.2米或者其他類型的梁時又需要再次切割或制造新吊具，再次分析其強度是否滿足要求;而方案二一步到位，進行強度優(yōu)化后可以運用的范圍特別廣，不用再更改。因此，本文確定為設計通孔式吊具。

1.3 通孔吊具模型的設計

1.3.1 設計原理及相應的尺寸計算

模型總體為箱體結(jié)構(gòu)見圖1、圖2所示，板件與板件之間焊接固定。側(cè)面和上端面設有加強筋;吊孔下沿設有加強板;左右吊孔間距橫向從2米到3.8米，貫穿上下底板，縱向吊孔距為1米;吊裝時四根吊桿配合螺帽和墊圈分別安裝到四個通孔上并調(diào)整位置;中部兩側(cè)為中空結(jié)構(gòu);考慮到吊具受力大且均勻，不能有較大位移和變形，所以橫向中部的鋼板為50mm，縱向中部的鋼板為12mm，其余為30mm。

總體尺寸的設計及計算：

左右吊孔距離2米時，吊取單線梁，梁重500t，重力加速度按9.81N/s2計算。移梁機一共有兩個吊具，每個吊具安裝有四根吊桿，相應的就有四個受力區(qū)域，而因為每根桿的受力均勻，則在有限元分析時在四個區(qū)域設置的荷載總數(shù)為2452500N即可。

式中：G—為梁所受重力;

F—為單個吊具受載荷總量。

同理，左右吊孔距離3.8米或者3.66米時，吊雙線梁，梁重764t，重力加速度按9.81N/s2計算，平均每個吊具受總荷載3743600N。

1.3.2 加強措施設計

吊具的焊接鋼板采用Q345C鋼，由于吊具承受的載荷大，會使得吊具的局部某些部位產(chǎn)生較大的變形，甚至超出材料的屈服極限，因此需要在這些位置采取加強措施來確保吊具在正常工作條件下足夠安全，設計以最小安全系數(shù)大于等于2，最大位移不超過2mm為依據(jù)判斷是否安全。

①應力、位移分析。

吊孔周圍為主要受力位置，容易出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，應力和局部位移會比較大;起吊基座為力傳遞的過渡位置，受力面積小，也容易出現(xiàn)應力集中;而吊具工作條件下簡化后可以看作一個簡支梁受向下的荷載，因此其跨中位置也會有較大的位移。

②加強措施。

1）起吊基座的加強措施為：

在四個起吊基座內(nèi)側(cè)分別焊接了等邊角鋼，截面尺寸為50×50×5mm，長50mm。

2）對吊孔周圍的加強措施為：

在吊孔下沿設置了如圖所示的厚度為12mm的橫向鋼板，使得吊孔下的結(jié)構(gòu)形成一個個小箱體，這樣既能有效的減小吊孔周圍應力集中的現(xiàn)象，還能改善吊孔周圍的局部位移較大的情況。同時在安裝吊桿時，添加尺寸為20×260×260mm的墊板和兩個內(nèi)徑為R=55mm，外徑為R=105mm，厚度為20mm的墊圈進一步加強。如圖3所示。

3）對跨中的加強措施為：

在跨中兩側(cè)分別添加尺寸為30×30×480mm的加強筋。

2? 基于SOLIDWORKS Simulation的力學仿真模型的建立與論證

2.1 仿真模型的建立與網(wǎng)格的劃分

對模型的仿真測試采用三維軟件SOLIDWORKS里面的SOLDWORKS Simulation有限元分析插件進行。根據(jù)上述文中的吊具結(jié)構(gòu)和加強措施的設計，在SOLIDWORKS中建立吊具的各個零件并進行裝配，總裝配圖見圖4所示。

為簡化分析，可看作力直接加載在墊圈上，吊桿和螺母部分不在分析范圍內(nèi)，劃分結(jié)果如圖5所示。

由表1可知，吊具劃分的網(wǎng)格類型為實體網(wǎng)絡，雅可比點為16，雅可比點數(shù)越多，劃分出的單元格品質(zhì)越高，分析出來的結(jié)果也更加精確，能更良好的反應吊具在工作狀態(tài)下各個參數(shù)的狀況。

2.2 模型的加載與模擬結(jié)果的分析

有限元模型加載分約束和載荷兩類。對吊具設置約束時，將四個起吊基座上的圓孔面設為固定。由于吊具有自重，所以在對吊具整體添加外部荷載之前應在其正中添加上引力。吊取雙線梁時，在四個吊孔上的墊圈上端面添加豎直向下荷載，總數(shù)為3743600N。吊取單線梁時，在四個吊孔上的墊圈上端面添加豎直向下荷載，總數(shù)為2452500N。吊取吊裝孔距離為2米的單線梁時，結(jié)果見圖6-圖9。

由吊具的應力分布圖可得實際工作狀況下，吊具的最大應力為141.MPa，應力與應變較大區(qū)域均集中在起吊基座內(nèi)側(cè)和吊孔下沿，位移較大區(qū)域為吊具跨中位置，最大為0.9471mm<2mm，吊具整體的最小安全系數(shù)為2.437>2，滿足設計要求。

后續(xù)結(jié)果均只顯示吊具的位移云圖和整體的安全系數(shù)分布云圖。

吊取吊裝孔距離為3.8米的雙線梁時，結(jié)果見圖10，圖11。

取吊具吊裝最大吊點間距為3.8米及吊裝最小吊點間距2米兩種極限情況下吊具整體的安全系數(shù)分布云圖可得，吊具在吊取這三種類型的梁時任然滿足要求，最小安全系數(shù)均大于2，最大位移均小于2mm，可見該通孔式吊具在吊取不同梁型時也是足夠安全的，若需要將最小安全系數(shù)再一次提高，可以對起吊基座進行二次加強，增加吊孔上墊板的厚度等。

3? 結(jié)語

本文通過對900t移梁機吊具的優(yōu)化設計，利用SOLIDWOEKS中的Solidworks Simulation插件建立起吊具的仿真模型并進行分析和研究，驗證了通孔式吊具的安全性和可靠性。論文主要做了以下幾方面的研究：

①基于現(xiàn)有的雙線梁吊具的實際觀察和分析，概述了現(xiàn)有模式的吊具的不足與改善方案，并將改善后的方案與原有方案進行對比，闡述了通孔式吊具的優(yōu)越性與可行性。

②對吊具的結(jié)構(gòu)進行分析，從安全角度出發(fā)，將模具進行了優(yōu)化，并對優(yōu)化措施進行了合理的解釋。

③基于Solidworks Simulation插件對吊具進行仿真模型的建立，并采用高品質(zhì)網(wǎng)格劃分;模擬吊具在實際工作中的的受力狀況對吊具進行了有限元分析，并對分析結(jié)果進行了詳細的闡述，論證了通孔式吊具在工作條件下的安全性和可靠性。

通過對該通孔式吊具的設計與論證，充分說明了該吊具優(yōu)化方案的可行性。設計的最初目的是將該3.8米/3.6米式雙線梁吊具的吊具范圍拓寬，已達到能吊具2米式單線梁。通過對吊具的有限元分析發(fā)現(xiàn)：若直接對吊具進行切割，切割后的吊具工作時的應力接近于屈服極限，加以一定優(yōu)化措施后便能滿足使用要求，這也說明通孔式吊具方案是可行的。通孔式吊具較傳統(tǒng)的移梁機吊具而言，它更加便捷，使用范圍更廣，基本滿足現(xiàn)有梁型的吊取;因此，可以將其推廣應用，以提高移梁機的吊取效率。

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