加勁肋對起重機主梁靜動態(tài)特性影響研究

李榮強，吳淑芳，高 鑫，王靖宇

(1.中北大學機械工程學院，山西 太原 030051)(2.山西省起重機數字化設計工程技術研究中心，山西 太原 030051)

橋式起重機主要是應用于裝卸和搬運物料的機械設備，其能在減輕工作量的同時完成一些人類無法完成的繁瑣任務，因此廣泛應用于如鋼鐵、冶金、建材等行業(yè)，被稱為工業(yè)企業(yè)的“脊梁”[1-2]。箱梁結構主要由上(下)翼緣板、主(副)板、橫(縱)向加勁肋焊接組合而成，是橋式起重機經常采用的結構，因此對箱梁結構進行應力分析成為研究起重機主梁不可或缺的部分。

凡是運動中的機械都存在程度不同的振動[3],機械振動對橋式起重機的影響體現(xiàn)在橋式起重機的動態(tài)剛性設計。其動態(tài)剛性采用結構系統(tǒng)的滿載自振頻率來表征[4]。文獻[5]對塔式起重機進行了動態(tài)特性分析。文獻[6]對齒輪箱的靜、動態(tài)特性進行了分析。文獻[7]研究了加勁肋對齊平端板力學性能影響。

目前在橋式起重機主梁靜、動態(tài)特性的研究中，對于橋式起重機主梁的一些細微結構考慮不足，這些細微結構對橋式起重機性能產生的影響不應當被忽略(如縱向加勁肋)，值得深入研究，而不同類型的縱向加勁肋也會對主梁的動、靜態(tài)特性產生不同的影響，本文對此進行了研究。

1 主梁分析模型的構建

1.1 起重機參數及建模軟件確定

本文選用箱型雙梁橋式起重機的單根主梁作為研究對象。起重機的起升量為50 t,跨度為37.5 m,小車車輪輪距為3.85 m,大車運行速度為66 m/min，小車運行速度為33 m/min。起重機工作級別為A5。

本文所采用的三維模型主要在SoildWorks中建立，主要使用的有限元軟件為ANSYS Workbench。由于起重機主梁結構較為復雜，為了縮短計算所需時間，忽略主梁與端梁連接處的螺紋孔結構，將一些倒角等結構保留，分別建立矩型肋、角型肋、T型肋和正球頭肋4種加勁肋的三維模型，并在主梁的三維模型中分別進行裝配。所建立的橋式起重機主梁模型如圖1所示。

圖1 橋式起重機主梁簡化圖

1.2 縱向加勁肋簡述

在設計橋式起重機主梁時，應對其局部穩(wěn)定性進行設計校核?？v向加勁肋將起重機箱型主梁分割成較小的四方體結構，提高了起重機箱型主梁的穩(wěn)定性。常用的縱向加勁肋類型主要有矩型肋、角型肋、T型肋和正球頭肋4種。圖2為常見的橋式起重機箱型主梁縱向加勁肋的基本構型。本文將對這4種類型的加勁肋主梁的靜、動態(tài)特性進行分析。

圖2 加勁肋的基本構型

2 載荷及約束

橋式起重機主梁在運行過程中主要受到兩個方向的載荷，分別為垂直載荷和水平載荷。

橋式起重機主梁所受到的垂直載荷主要有主梁自重、司機室等自重以及小車車輪輪壓。本文只考慮主梁自重以及起升重物對小車車輪的輪壓，通過計算分別在前輪以及后輪施加175 kN與170 kN的載荷。

起重機啟動或制動時將產生水平慣性載荷，包括水平均布載荷和水平集中載荷。由于水平慣性載荷對本文所研究結果的影響不大，因此可以忽略此部分載荷。

2.1 載荷施加

主梁自重：在ANSYS Workbench中可直接以重力加速度的方式施加于該主梁。

小車車輪輪壓：在主梁三維模型中需建立兩個相距3 850 mm的矩形塊，用以模擬小車車輪。將小車車輪輪壓分別施加在這兩個矩形塊上。

2.2 約束處理

橋式起重機主梁結構可以簡化為簡支梁結構。在施加約束時應以簡支梁的約束方式施加，約束及載荷施加結果如圖3所示。

圖3 約束及載荷施加結果

3 處理結果

3.1 靜剛度分析

通過查閱資料可得，橋式起重機的危險工況主要有以下兩種：小車運行至主梁1/4處以及小車運行至主梁跨中位置處。由于本文主要討論縱向加勁肋對主梁的影響，因此只對小車運行至主梁跨中位置處的工況進行研究分析。利用ANSYS Workbench對4種加勁肋主梁所受的最大應力、位移分別進行計算，圖4、圖5為最常用的角型肋主梁的位移云圖以及應力云圖。

對矩型肋、角型肋、T型肋和正球頭肋主梁分別進行應力以及變形量計算，統(tǒng)計結果見表1。由表1可知，角型肋主梁的最大變形量遠遠小于其余3種加勁肋主梁， T型肋主梁所受的最大應力小于其余3種加勁肋主梁，但是與角型肋主梁的最大應力只相差0.2%，由此可知角型肋主梁的靜態(tài)性能要優(yōu)于其余3種加勁肋主梁。

圖4 角型肋主梁位移云圖

圖5 角型肋主梁應力云圖

表1 最大應力與最大變形量統(tǒng)計表

3.2 模態(tài)分析

根據《起重機設計手冊》相關要求，橋式起重機主梁的頻率應不小于2 Hz，表2為分別裝配4種加勁肋的主梁6階模態(tài)固有頻率統(tǒng)計表。由表2可知，4種不同肋板的主梁均滿足要求，加勁肋類型對主梁的固有頻率影響較小，固有頻率基本保持不變?？v向加勁肋的類型對于起重機主梁自振頻率的影響可以忽略。由此可知，對起重機主梁進行模態(tài)分析時，可以不考慮縱向加勁肋對起重機主梁自振頻率的影響，從而減少計算所需時間。

表2 6階模態(tài)固有頻率結果對比 Hz

3.3 諧響應分析

諧響應分析主要用來確定線性結構在承受持續(xù)周期載荷時的周期響應，能夠預測結構的持續(xù)動力學性能，從而驗證其設計能否成功地克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。通過分析可以得到振動頻率下的變形量峰值，從而判斷4種加勁肋主梁的動力學性能優(yōu)劣性。

圖6 4種加勁肋主梁的諧響應曲線對比圖

圖6為4種加勁肋主梁的諧響應，由圖可知，矩型肋與角型肋主梁的諧響應曲線相似，而T型肋與正球頭肋主梁的諧響應曲線相似。矩型肋與角型肋主梁的峰值出現(xiàn)在5 Hz處，矩型肋主梁最大變形量為281.56 mm,角型肋主梁最大變形量為295.55 mm；T型肋與正球頭肋主梁的峰值出現(xiàn)在4 Hz處，T型肋主梁的最大變形量為316.14 mm,正球頭肋主梁的最大變形量為280.49 mm。

通過諧響應分析可知，正球頭肋主梁的變形量要比其余3種加勁肋主梁小，正球頭肋與矩型肋主梁的抗振能力優(yōu)于T型肋以及角型肋主梁。

4 結束語

本文通過有限元分析對4種加勁肋主梁的靜態(tài)、動態(tài)特性研究得出以下結論：

1)通過對4種加勁肋起重機主梁靜力學性能分析可得，角型肋主梁剛度和強度都要優(yōu)于其余3種加勁肋主梁。通過諧響應分析可得，正球頭肋主梁的穩(wěn)定性要優(yōu)于其余3種加勁肋主梁。然而正球頭加勁肋主梁制作難度要遠遠大于其他3類。綜合考慮可知安裝角型肋的主梁優(yōu)于安裝其他3種加勁肋的主梁。

2)當對起重機主梁進行靜態(tài)分析或諧響應分析時，不同加勁肋主梁產生的結果差距較大，因此在日后研究中需要考慮不同的加勁肋對起重機主梁的影響；從仿真結果可知，加勁肋能有效提高主梁性能，有助于起重機輕量化的研究。