20 t橋式起重機(jī)橋架設(shè)計及靜態(tài)剛性試驗*

潘 明，陳欽鴻，蘇和鍇，楊 昭

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院潮州檢測院，廣東 潮州 521000)

0 引 言

橋式起重機(jī)作為一種應(yīng)用極為廣泛固定式起重設(shè)備，橋架是其主要受力結(jié)構(gòu)件，用以支撐整機(jī)各部件及被提升的重物。在起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)分析，傳統(tǒng)力學(xué)計算方法公式繁多復(fù)雜，尤其是橋架內(nèi)部筋板布置復(fù)雜，難以求解計算，且難以直觀反映橋架結(jié)構(gòu)實際承載受力情況。

與此同時，需要起重機(jī)對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行試驗驗證。利用有限元分析方法建立有限元模型，并按實際的載荷分布進(jìn)行加載、求解、快速便捷，全面直觀了解橋架結(jié)構(gòu)在載荷組合作用下應(yīng)力、變形位移大小及分布情況非常必要。相比傳統(tǒng)力學(xué)計算，具有快速便捷，求解結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)。

筆者根據(jù)橋式起重機(jī)橋架建立幾何模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行有限元分析，得到其強(qiáng)度應(yīng)力、撓度變形大小及其分布情況，在監(jiān)督檢驗中進(jìn)行靜態(tài)剛性試驗，試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本一致，證明有限元結(jié)果有效性，并驗證橋架符合起重機(jī)設(shè)計規(guī)范要求。上述研究成果可為同類型橋式起重機(jī)橋架優(yōu)化設(shè)計提供借鑒。

1 橋式起重機(jī)設(shè)計

1.1 起重機(jī)設(shè)計

根據(jù)用戶場地跨度14.43 m及最大使用載荷需求20 t，設(shè)計開發(fā)了20 t橋式起重機(jī)。LH20橋式起重機(jī)使用電動葫蘆起重，橋架采用雙主梁箱體結(jié)構(gòu)，主梁與端梁采用螺栓-雙螺母連接，其結(jié)構(gòu)及重要尺寸如圖1所示。

圖1 起重機(jī)示意圖1.主梁 2.端梁 3.走臺欄桿 4.20噸位牌 5.小車 6.軌道 7.電氣設(shè)備 8,9.螺栓螺母

LH20橋式起重機(jī)額定起重量20 t，最大提升高度9 m，跨度14 410 mm，相關(guān)參數(shù)如下，如表1所列。

表1 起重機(jī)相關(guān)參數(shù)

1.2橋架幾何模型

根據(jù)所設(shè)計的橋架幾何尺寸，橋架使用材料選用Q235B，采用箱體焊接結(jié)構(gòu)，按橋架設(shè)計圖紙在Solid Edge軟件建立橋架結(jié)構(gòu)幾何模型，如圖2所示，并導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進(jìn)行預(yù)處理。

圖2 橋架幾何模型

1.3 橋架有限元模型

在ANSYS Workbench中進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)置材料并劃分網(wǎng)格，大小設(shè)置為5 mm，主要采用六面體單元劃分方法，如圖3所示。

考慮靜態(tài)剛性分析，對端梁輪孔固定約束，同時根據(jù)額定起重量20t(196 000 N)；作用在橋架上各主要部件、組件如下：小車(1 680 kg)、走臺欄桿(340 kg)、軌道(563 kg)、電氣設(shè)備(165 kg)，合計質(zhì)量748 kg(26 930 N)，如圖4所示。

因此，在橋架跨中位置軌道上方小車沿行進(jìn)方向兩輪間距1 750 mm施加載荷222 930 N。

圖3 有限元劃分網(wǎng)格 圖4 有限元約束加載

2 有限元計算

根據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》[1]，橋架型電動起重機(jī)垂直靜撓度f與起重機(jī)跨度S的關(guān)系，使用簡單控制系統(tǒng)能達(dá)到中等定位精度特性的起重機(jī)推薦為：

LH20橋式起重機(jī)橋架垂直靜撓度上限為：

經(jīng)計算有限元模型，橋架跨中位置應(yīng)力值在33.492～46.583 MPa之間，遠(yuǎn)低于橋架材料Q235B屈服應(yīng)力值σs，符合安全使用要求。應(yīng)力最大值位于端梁輪孔處產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，最大應(yīng)力值184.55 MPa，如圖5所示。

橋架撓度變形從橋架跨中位置出現(xiàn)最大值至兩測端梁遞減值最小值，有限元計算撓度變形最大值f1=11.135 mm，如圖6所示。

圖5 應(yīng)力圖 圖6 變形位移圖

3 靜態(tài)剛性試驗

開展橋架靜態(tài)剛性試驗意義主要有以下：一是驗證橋架構(gòu)件垂直靜撓度是否滿足要求，二是驗證橋架材料彈塑性是否滿足要求，即卸載后橋架主梁回彈是否正常。

試驗方法：起吊額定載荷20 t，進(jìn)行起升、運(yùn)行聯(lián)動試驗。靜態(tài)剛性測量時，小車位于跨中，測量小車位于跨中時的下?lián)现?；測量方法使用全站儀測量主梁跨中吊載前后差值。

現(xiàn)場試驗根據(jù)有限元計算找出的撓度變形最大位置，將小車移動至位于橋架跨中位置，按額定起重量20 t進(jìn)行加載，采用PENTAX W-822NX全站儀進(jìn)行對試驗前后撓度變形量進(jìn)行測量，該儀器于19年8月4日進(jìn)行校準(zhǔn)，目前在校準(zhǔn)有效期內(nèi)，如圖7所示。

圖7 PENTAX W-822NX全站儀

現(xiàn)場通過全站儀測得：撓度最大變形量f2=10.6 mm；卸載后橋架雙主梁回彈正常，材料符合使用要求。

4 結(jié)果分析

(1) 靜態(tài)剛性試驗垂直靜撓度f1=11.135 mm與有限元計算垂直靜撓度f2=10.6 mm，結(jié)果趨于一致，驗證有限元計算結(jié)果的有效性；

(2) 靜態(tài)剛性試驗垂直靜撓度f1=11.135 mm結(jié)果小于GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于此橋式起重機(jī)橋架垂直靜撓度上限f=19.21 mm的要求，符合設(shè)計規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

(1) 通過起重機(jī)橋架有限元分析，得到撓度變形大小及其分布情況，結(jié)合靜態(tài)剛性試驗，試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本一致，證明有限元結(jié)果有效性，并驗證橋架符合起重機(jī)設(shè)計規(guī)范要求。

(2) 從產(chǎn)品設(shè)計制造的角度，需要實現(xiàn)產(chǎn)品安全性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，但現(xiàn)有對大多數(shù)中小型起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，尚無法利用有限元軟件開展計算分析，從上述設(shè)備分析結(jié)果來看，起重機(jī)橋架設(shè)計更偏重于安全性。

(3) 上述研究從有限元計算分析與試驗驗證進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可反哺起重機(jī)橋架優(yōu)化設(shè)計，為提升產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性提供借鑒。

(4) 起重機(jī)屬于特種設(shè)備，靜態(tài)剛性試驗是對設(shè)備進(jìn)行安全評價及安全性驗證,也可對現(xiàn)役橋式起重機(jī)橋架承載能力可靠性評估提供有益參考。