超長(zhǎng)懸臂門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

程曉燕，魯 芬，黎偉新

（廣東敏豪起重機(jī)械設(shè)備有限公司技術(shù)部，廣東佛山528313）

某水泥制品有限公司訂購(gòu)一臺(tái)MH型16 t電動(dòng)葫蘆門式起重機(jī)，根據(jù)生產(chǎn)需要，兩邊有效懸臂需超長(zhǎng)至9 m，便于安全吊運(yùn)水泥桿［1-2］。JB/T5663—2008規(guī)定，有效懸臂長(zhǎng)度L1、L2一般不大于S/3。外懸臂超出設(shè)計(jì)規(guī)范，吊運(yùn)重物時(shí)會(huì)造成下?lián)咸?，主梁發(fā)生彈性變形直到塑性變形，從而造成機(jī)械報(bào)廢。因此門式起重機(jī)超長(zhǎng)有效懸臂的合理設(shè)計(jì)和通過型式試驗(yàn)驗(yàn)收成為一個(gè)難題。

針對(duì)上述工況，本文借用拉索橋的原理，在門式起重機(jī)的主梁上增加了4條剛性拉桿，形成一個(gè)平衡裝置，從而解決由于主梁有效懸臂過長(zhǎng)導(dǎo)致門式起重機(jī)主梁有效懸臂處下?lián)线^大造成整臺(tái)機(jī)械報(bào)廢的隱患。

1 理論計(jì)算依據(jù)

16t電動(dòng)葫蘆門式起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中S為跨度，L1、L2為有效懸臂長(zhǎng)度，H為起升高度。為解決該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的可靠性問題，必須對(duì)其開展充分的理論驗(yàn)證和吊運(yùn)重物的型式試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 超長(zhǎng)懸臂門式起重機(jī)裝配總圖

1.1 主梁的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1.1 主梁的垂直剛度驗(yàn)算

本臺(tái)起重機(jī)由于懸臂部分超長(zhǎng)，故在懸臂部分加了拉桿，拉桿既可使立柱的受力平衡，又對(duì)主梁跨中剛度和強(qiáng)度增加有幫助，如圖2所示。本機(jī)懸臂部分按超靜定懸臂梁驗(yàn)算。

參考圖3所示標(biāo)準(zhǔn)懸臂MH16 t S=21 m設(shè)計(jì)主梁截面，將圖形輸入電腦，得截面型心距梁底810.6 mm，截面面積 A=415.43 cm2，型心主慣性矩 Jx=1 262 075 cm4，Jy=176 810 cm4。

圖2 主梁立柱結(jié)構(gòu)示意

圖3 主梁截面

截面抗彎模量Wx=15 569 cm3，Wy=5 440.3 cm3，初選拉桿Φ219厚10無縫管，拉桿截面積π/4×d2=376.7 cm2，拉桿長(zhǎng)度L拉=610 cm。由于懸臂為超靜定結(jié)構(gòu)，因此要用附加變形條件求懸臂和拉桿的受力。當(dāng)有效懸臂端下?lián)蠟棣時(shí)，拉桿與懸臂的鉸結(jié)點(diǎn)也要向下運(yùn)動(dòng)，拉桿發(fā)生拉長(zhǎng)°。當(dāng)Δy=1時(shí)，由ΔL拉使拉桿中產(chǎn)生軸向拉力P2l=4 109 kN。P2l在懸垂方向的分力為

在額定負(fù)載與拉桿向上垂直作用力P2聯(lián)合作用下，其有效懸臂長(zhǎng)的最大下?lián)隙瓤捎媚獱柗e分公式求。主梁在P及P2l⊥作用下的彎矩圖、單位載荷Pl=1的主梁彎矩圖如圖4所示。

圖4 主梁受力彎矩

用維力沙全圖乘法解莫爾積分得主梁有效懸臂端的下?lián)隙葹?/p>

1.1.2 主梁跨中下?lián)隙闰?yàn)算

主梁跨中的兩條拉桿主要是用來平衡兩側(cè)立柱懸臂段拉桿產(chǎn)生的水平拉力，對(duì)減少跨中的下?lián)隙群蛻?yīng)力是有作用的。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略這兩條拉桿對(duì)跨中下?lián)隙群蛻?yīng)力的影響，計(jì)算偏于安全，如圖5所示。

由于葫蘆兩輪相距很近，視為一集中載荷計(jì)算偏于安全。由莫爾積分得

跨中容許下?lián)隙龋踗］=2 100/750=2.8 cm＞f=1.25 cm，表明主梁的剛性足夠［2］。

圖5 主梁受力彎矩

1.2 懸臂梁強(qiáng)度驗(yàn)算

葫蘆滿載運(yùn)行到懸臂端部下降制動(dòng)，大車運(yùn)行制動(dòng)，風(fēng)向在大車軌道方向。

1.2.1 滿載葫蘆在懸臂端部下降制動(dòng)主梁與門腿聯(lián)接處產(chǎn)生的彎矩計(jì)算

本起重機(jī)為料場(chǎng)的吊鉤起重機(jī)，起升速度v=3.5 m/min=0.058 m/s＜0.2 m/s，起升動(dòng)載荷系數(shù)φ2=1.1，故主梁上作用的最大移動(dòng)載荷為

滿載葫蘆在懸臂端時(shí)，拉桿中產(chǎn)生的拉力P2l=280.672 kN，此時(shí)拉桿的最大拉力P2lmax=φ2P2l=4 520.162 kN。該力又可分成垂直于懸臂梁向上拉的力P2l⊥max=P2lmax×sin30°=2 260.081 kN以及順時(shí)針方向的彎矩 M彎P2lmax水=P2lmax×cos30°×（80.14+17）=380 094.078 kN·cm，故可得作用在懸臂梁上的最大垂直彎矩為

除了由外力作用在懸臂梁上產(chǎn)生的彎矩外，還有懸臂梁自重產(chǎn)生的彎矩，現(xiàn)懸臂梁截面面積A=415.43 cm2，單位長(zhǎng)度懸臂梁的自重q自=0.036 75 kN/cm。自重在懸臂上產(chǎn)生的最大垂直彎矩為

懸臂上在垂直平面內(nèi)的最大合成彎矩Ml1max⊥=-1 513 897.052 kN·cm。故懸臂段在懸垂方向上產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)為

1.2.2 滿載電動(dòng)葫蘆在懸臂端部大車運(yùn)行制動(dòng)懸臂與門腿聯(lián)接處最大水平方向彎曲力矩計(jì)算

本起重機(jī)大車運(yùn)行速度v=20 m/min，大車起制動(dòng)時(shí)間為3 s，起制動(dòng)加減速度滿載葫蘆在大車起制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平慣性力和力矩分別為

大車起制動(dòng)時(shí)懸臂自重產(chǎn)生的水平慣性力矩為

1.2.3 貨物工作時(shí)受到最大的風(fēng)載荷

由起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得起吊物品所受的風(fēng)載荷為

懸臂受到的風(fēng)載荷為

其中，C為結(jié)構(gòu)風(fēng)力系數(shù)，C=1.32；Kh為風(fēng)壓高度系數(shù)，Kh=1；工作風(fēng)壓q風(fēng)=250 N/m2；A為迎風(fēng)面積，A=16.94 m2。

故作用在支腿和懸臂聯(lián)接處的水平彎矩為

懸臂上受到的水平彎曲合力矩為

懸臂上最大水平彎曲應(yīng)力為

懸臂上最大合成彎曲應(yīng)力為

其中，σs為屈服極限，σs=235 MPa，本起重機(jī)用的是Q235B鋼；n為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)，對(duì)計(jì)算載荷組合 I，n=1.5。

由此可知，懸臂段的強(qiáng)度足夠［3］。

1.3 主梁跨中段的強(qiáng)度驗(yàn)算

本機(jī)跨中區(qū)段的受力按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，下面逐一進(jìn)行驗(yàn)算。

1.3.1 跨中滿載葫蘆下降制動(dòng)主梁上應(yīng)力計(jì)算

懸臂端計(jì)算已知，滿負(fù)載下降制動(dòng)時(shí)主梁上最大的動(dòng)載荷Pmax=185.2 kN，如圖6所示。現(xiàn)主梁跨中段用兩條Φ219×10無縫鋼管拉住，是超靜定結(jié)構(gòu)，要用補(bǔ)充的變形條件來求主梁的受力。用作拉桿鋼管截面積

圖6 主梁受力示意

拉桿不受力時(shí)主梁為靜定結(jié)構(gòu)，此時(shí)跨中在滿載葫蘆作用下，主梁跨中的下?lián)隙葹?/p>

在P的作用下鉸接點(diǎn)D、K的下?lián)隙葹?/p>

當(dāng)鉸接點(diǎn)下?lián)蠟閒x時(shí)，拉桿伸長(zhǎng)Δl=fx×sin30°=0.5fx。當(dāng)主梁跨中下?lián)蟜=Δy=1 cm時(shí)，鉸接點(diǎn)下?lián)蟜x=0.91 cm，拉桿伸長(zhǎng) Δ2l=Δy×0.91×0.5=0.455Δy=0.455 cm。

此時(shí)拉桿斜向上拉力、垂直向上分力、滿載貨物下降制動(dòng)時(shí)主梁受到最大動(dòng)載荷分別為

用莫爾積分求主梁在Pmax作用下的跨中下?lián)隙?，?/p>

于是有f=0.03 cm。

拉桿鉸接點(diǎn)下?lián)?、拉桿伸長(zhǎng)、拉桿中產(chǎn)生的拉力、拉桿垂直方向的分力分別為

圖7 主梁受力、彎矩示意

此時(shí)主梁跨中段的受力和彎矩如圖7所示。A點(diǎn)支反力為

于是可以得出 MD=59 007.564 kN·cm，MC=95 121.642 kN·cm。

Pmax在跨中引起的最大彎曲應(yīng)力為

1.3.2 主梁自重在跨中產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力計(jì)算

懸臂端計(jì)算已知q自=0.036 75 kN/cm。可得跨中最大彎曲力矩、由自重引起垂直彎曲應(yīng)力（略去拉桿的減載作用）分別為

1.3.3 大車行走制動(dòng)在主梁中產(chǎn)生的彎曲計(jì)算

懸臂端計(jì)算已知q慣=0.000 42 kN/cm。跨中主梁產(chǎn)生的慣性力矩為

1.3.4 滿載葫蘆位于跨中大車起制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力在懸臂段計(jì)算

水平慣性力已知P慣=1.889 kN，由此產(chǎn)生的彎曲力矩為

1.3.5 主梁在最大工作風(fēng)壓下產(chǎn)生的水平彎矩計(jì)算

與懸臂端的風(fēng)載荷計(jì)算相似，主梁跨中迎風(fēng)面積A=1.612×24=38.7 m2?？缰兄髁菏艿降淖畲蠊ぷ黠L(fēng)載荷、由qW在跨中產(chǎn)生的彎矩分別為

工作風(fēng)壓對(duì)貨物和葫蘆生產(chǎn)的風(fēng)載荷同懸臂段一樣，PWQ=0.03 PQ=4.8 kN。其產(chǎn)生彎矩為

1.3.6 主梁跨中由偏斜運(yùn)行時(shí)水平側(cè)向力Ps而產(chǎn)生的彎矩計(jì)算

水平側(cè)向力為

其中，∑R為起重機(jī)產(chǎn)生側(cè)向力一側(cè)最大輪壓，因主梁強(qiáng)度計(jì)算滿載車在跨中，故取此時(shí)大車一側(cè)的車輪輪壓和∑R=339.913 kN；λ為側(cè)向阻力系數(shù)，由跨度和輪距之比n=2.84查手冊(cè)λ=0.14。

Ps在主梁跨中產(chǎn)生的彎矩MPs=24.984 12 kN·cm，產(chǎn)生的應(yīng)力為

主梁最大合成水平方向彎矩及彎曲應(yīng)力分別為

主梁跨中懸垂方向最大合成彎曲應(yīng)力為

主梁跨中最大合成彎曲應(yīng)力計(jì)算為

由此可知，整條主梁強(qiáng)度足夠［3］。

通過計(jì)算表明，主梁結(jié)構(gòu)的懸臂部分超長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方法是可行的，是有理論計(jì)算依據(jù)的。

1.4 起重機(jī)穩(wěn)定性驗(yàn)算

起重機(jī)滿載向懸臂端運(yùn)行制動(dòng)，重物下降制動(dòng)，最大工作風(fēng)壓垂直大車路軌。

風(fēng)壓為最大工作風(fēng)壓274.4 kN/m2，結(jié)構(gòu)風(fēng)力系數(shù)C=1.7，起重機(jī)側(cè)面為迎風(fēng)面積，起重機(jī)結(jié)構(gòu)最大工作風(fēng)力F工max=12.495 kN，吊重工作風(fēng)阻力4.704 kN，故連同貨物風(fēng)阻力起重機(jī)工作時(shí)最大風(fēng)阻力F阻max=17.395 kN，這些風(fēng)力的合力作用點(diǎn)離地面7.5 m。

風(fēng)力對(duì)起重機(jī)的傾翻力矩、滿載葫蘆在懸臂末端下降制動(dòng)的傾復(fù)力矩、小車滿載行走制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力、小車制動(dòng)產(chǎn)生的傾復(fù)力矩分別為

起重機(jī)工作時(shí)受到的最大傾復(fù)合力矩、回復(fù)力矩、工作穩(wěn)定系數(shù)分別為

由此可知，起重機(jī)在最大工作風(fēng)壓和最大懸臂處都能穩(wěn)定工作［3］。其余計(jì)算過程從略。

2 型式試驗(yàn)驗(yàn)證

本臺(tái)MH型16 t電動(dòng)葫蘆門式起重機(jī)樣機(jī)得到專家的認(rèn)可，所有設(shè)計(jì)圖紙已在該院備案，并于2013年11月4日取得了特種設(shè)備型式試驗(yàn)合格證以及用于特種設(shè)備制造和辦理特種設(shè)備制造許可證。其詳細(xì)《特種設(shè)備型式試驗(yàn)報(bào)告》數(shù)據(jù)摘錄如下：1）設(shè)備型號(hào)規(guī)格為MHX16-21A3。2）設(shè)備品種為電動(dòng)葫蘆門式起重機(jī)。3）試驗(yàn)地點(diǎn)為廣東省中山市大涌鎮(zhèn)青崗社區(qū)白蕉圍。4）試驗(yàn)依據(jù)TSG Q7003—2007《門式起重機(jī)型式試驗(yàn)細(xì)則》。5）試驗(yàn)結(jié)論為該樣機(jī)經(jīng)過型式試驗(yàn)，結(jié)果表明各項(xiàng)試驗(yàn)均符合規(guī)定，綜合判定型式試驗(yàn)合格。

2.1 絕緣試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果：主回路230 MΩ，控制電路219 MΩ，電氣設(shè)備233 MΩ。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

2.2 額定載荷試驗(yàn)

（1）起升速度偏差。偏差范圍3.15～3.85 m/min。試驗(yàn)結(jié)果：3.48 m/min。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（2）運(yùn)轉(zhuǎn)情況。試驗(yàn)結(jié)果：各機(jī)構(gòu)動(dòng)作平穩(wěn)，運(yùn)行正常，能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能和動(dòng)作，無異常震動(dòng)、沖擊、過熱、噪聲、滲漏等現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（3）小車運(yùn)行速度偏差。偏差范圍17～23 m/min。試驗(yàn)結(jié)果：19.5 m/min。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（4）大車行走速度偏差。偏差范圍17～23 m/min。試驗(yàn)結(jié)果：19.4 m/min。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（5）制動(dòng)下滑量。制動(dòng)下滑量≤35 mm。試驗(yàn)結(jié)果：16 mm。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（6）噪聲。噪聲≤85 dB。試驗(yàn)結(jié)果：72.6 dB。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（7）主要零部件。試驗(yàn)結(jié)果：主要零部件無損壞現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（8）主梁跨中垂直靜撓度。主梁跨中垂直靜撓度≤30 mm。試驗(yàn)結(jié)果：8 mm。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（9）有效懸臂處垂直靜撓度。有效懸臂處垂直靜撓度≤26 mm。試驗(yàn)結(jié)果：左4 mm，右5 mm。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

2.3 靜載試驗(yàn)

（1）主梁實(shí)有上拱度。主梁實(shí)有上拱度≥14.7mm。試驗(yàn)結(jié)果：主梁上拱23 mm。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（2）懸臂處實(shí)有上翹度。懸臂處實(shí)有上翹度≥18mm。試驗(yàn)結(jié)果：懸臂上翹：左19 mm，右20 mm。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（3）焊縫裂紋。試驗(yàn)結(jié)果：焊縫無裂紋。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（4）結(jié)構(gòu)件永久變形。試驗(yàn)結(jié)果：結(jié)構(gòu)件無永久變形。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

2.4 動(dòng)載試驗(yàn)

（1）運(yùn)轉(zhuǎn)情況。試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)中，各機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)，運(yùn)行正常，無異常聲響。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（2）制動(dòng)器制動(dòng)性能。試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)中，制動(dòng)器制動(dòng)有效、可靠，空中起動(dòng)時(shí)未出現(xiàn)反向動(dòng)作與下滑現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

（3）機(jī)構(gòu)及部件。試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)后，各機(jī)構(gòu)及構(gòu)件無損壞，連接處無松動(dòng)或損壞，電動(dòng)機(jī)減速器無異常溫升。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

3 小結(jié)

該MH型16 t電動(dòng)葫蘆門式起重機(jī)樣機(jī)，在某水泥制品有限公司使用多年，在繁忙的裝卸作業(yè)中，主梁鋼結(jié)構(gòu)及上拱度、下?lián)隙染霞夹g(shù)要求，經(jīng)當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備檢測(cè)院定期檢驗(yàn)合格，效果良好。在貨場(chǎng)能力緊張的情況下，該設(shè)備擴(kuò)大了龍門起重機(jī)的使用范圍，不僅保證了安全生產(chǎn)，而且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［4］。