門式起重機(jī)偏斜運(yùn)行的影響分析

(山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250200)

門式起重機(jī)的運(yùn)行軌道長(zhǎng)度從幾十米到幾百米不等，運(yùn)行機(jī)構(gòu)通常采用分布驅(qū)動(dòng)方式，在設(shè)計(jì)中需要考慮偏斜運(yùn)行和水平側(cè)向載荷的影響。門式起重機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)偏斜運(yùn)行的原因很多，如軌道基礎(chǔ)的直線度、吊裝載荷的不均勻分布、小車在門架平面內(nèi)的運(yùn)行起（制）動(dòng)、大車行走電機(jī)轉(zhuǎn)速的細(xì)微差異等等。起重機(jī)偏斜運(yùn)行時(shí)的水平載荷是指裝有車輪的起重機(jī)或小車做穩(wěn)定狀態(tài)的縱向運(yùn)行或橫向移動(dòng)時(shí)，發(fā)生在他的導(dǎo)向裝置上由于導(dǎo)向的反作用引起的一種偶然載荷[1]。

研究水平側(cè)向力載荷的影響對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)有重要意義，在設(shè)計(jì)計(jì)算分析時(shí)，偏斜運(yùn)行的原因可分為邊界約束條件的不對(duì)稱和載荷（動(dòng)力）的不對(duì)稱。

1 水平側(cè)向載荷

目前水平側(cè)向力的計(jì)算方法有系數(shù)法和極矩法，系數(shù)法雖然有一定的局限性，但計(jì)算方法簡(jiǎn)單且相對(duì)安全，目前在國(guó)標(biāo)和許多國(guó)際規(guī)范中仍大量使用[2]。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，門式起重機(jī)偏斜運(yùn)行時(shí)的水平側(cè)向載荷Ps可按下式作簡(jiǎn)化計(jì)算

其中：ΣP為門式起重機(jī)承受側(cè)向載荷一側(cè)的行走梁上有效軸距有關(guān)的相應(yīng)車輪經(jīng)常出現(xiàn)的最大輪壓之和，不考慮動(dòng)力效應(yīng)。

λ為水平側(cè)向載荷系數(shù)，與起重機(jī)跨度S和起重機(jī)基距B（或有效軸距a）的比值有關(guān)

MDG 系列門式起重機(jī)單側(cè)行走梁為4 組車輪，為計(jì)算最大輪壓，令小車在支腿側(cè)極限位置處，選取小車滿載沿軌道方向制動(dòng)工況，小車水平慣性力指向剛性腿方向，同時(shí)選取風(fēng)載荷吹向剛性腿方向，此時(shí)整機(jī)重量G1和慣性力矩Mg和風(fēng)載力矩Mf都在支腿側(cè)產(chǎn)生最大靜態(tài)輪壓Pimax

式中：G2為小車自重，按照規(guī)范要求計(jì)算水平側(cè)向載荷Ps，單側(cè)計(jì)算輪壓之和僅計(jì)算最外側(cè)兩組車輪輪壓2P，有效軸距a，如圖1 所示。

圖1 MDG門式起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)示宜圖

因水平側(cè)向載荷與單側(cè)輪壓有關(guān)，而大車方向的制動(dòng)雖然會(huì)影響單個(gè)車輪的最大輪壓，但不會(huì)影響單側(cè)車輪的輪壓和值，所以計(jì)算水平側(cè)向載荷時(shí)不予考慮。對(duì)于門式起重機(jī)剛性腿和撓性腿側(cè)的最大輪壓及水平側(cè)向載荷如表1 所示。

表1 水平側(cè)向載荷計(jì)算表

2 載荷組合

門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算B1 工況為在正常工作狀態(tài)下，正常操作除起升機(jī)構(gòu)外的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，存在工作狀態(tài)風(fēng)載荷影響下的載荷組合。為計(jì)算載荷對(duì)不同部位的影響，通常在跨中、剛性腿側(cè)、撓性腿側(cè)和懸臂端分別就加載計(jì)算[3]。

起重機(jī)自重部分取起升沖擊系數(shù)φ1，起升載荷取動(dòng)載系數(shù)φ2，大車和小車的水平慣性力取水平運(yùn)行沖擊系數(shù)φ5。采用有限元軟件SAP 進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)建模加載，模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。此時(shí)加載位置基本都在門架結(jié)構(gòu)上部，結(jié)構(gòu)邊界在支腿底部約束三方向平動(dòng)自由度和豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

圖2 門式起重機(jī)計(jì)算模型圖

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算B5 工況為在正常工作狀態(tài)下，空中懸吊起升載荷，起重機(jī)在帶坡度的不平軌道上以恒速偏斜運(yùn)行，有工作狀態(tài)風(fēng)載荷影響下的載荷組合。起重機(jī)自重起升沖擊系數(shù)φ1和起升載荷動(dòng)載系數(shù)φ2由軌道運(yùn)行沖擊系數(shù)φ4代替，此工況考慮了水平偏斜力的影響，不再考慮由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)加速引起的水平慣性力影響。

3 特殊載荷

當(dāng)起重機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重偏斜運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，不僅對(duì)附近部位，而且對(duì)整體結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生不利影響。為分析偏斜運(yùn)行影響程度，選取一種現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)的特殊工況進(jìn)行模擬校核。起重機(jī)大車運(yùn)行起動(dòng)過程中，一側(cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障未啟動(dòng)，另一側(cè)行走機(jī)構(gòu)在電機(jī)作用下產(chǎn)生沿軌道方向的驅(qū)動(dòng)力，而未啟動(dòng)的一側(cè)因?yàn)橹髁喊l(fā)生扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平側(cè)向載荷，此二者共同作用在主結(jié)構(gòu)上，出現(xiàn)最不利的非工作載荷組合，設(shè)此模擬載荷組合為D1 工況。

模型計(jì)算時(shí)在一側(cè)加載電機(jī)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力，將另一側(cè)約束靜止?fàn)顟B(tài)的靜摩擦力之下，分別計(jì)算剛性腿側(cè)和撓性腿側(cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)故障的情況，建立模型分析對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。為體現(xiàn)底部軌道載荷的附加力，將底部約束的平動(dòng)自由度釋放，在支腿底部加載水平側(cè)向力。因撓性腿平面剛性弱于剛性腿，因此選取撓性腿側(cè)加載水平側(cè)向載荷和水平運(yùn)行慣性力，計(jì)算分析其影響。

4 實(shí)例分析

考慮由大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)引起的水平慣性力影響。本龍門吊大車運(yùn)行速度21m/min；折算速度為0.35m/s，查表加速時(shí)間4.1s，取加速度0.098m/s2，取得水平慣性力系數(shù)φ5（換算重力系數(shù)）為

電機(jī)選型功率為4kW，數(shù)量為4，經(jīng)計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)力9 000N 略大于水平慣性力，在模擬D1工況計(jì)算時(shí)取較大值作為危險(xiǎn)載荷代入。

B1 工況，正常工作載荷。結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表中數(shù)值為在不同位置加正常工作載荷時(shí)得到的各桿件的最大應(yīng)力值。B5-1 數(shù)據(jù)為撓性腿側(cè)小車滿載、大車制動(dòng)時(shí)載荷組合工況的應(yīng)力值。

B5-2 工況水平偏斜力從軌道接觸位置產(chǎn)生，但由于支腿底部輪緣與軌道之間平動(dòng)約束的存在，結(jié)構(gòu)變形被限制在輪緣間隙范圍內(nèi)，因此只影響局部結(jié)構(gòu)。為研究其載荷影響，本工況模型將軌道水平約束放寬，分析對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)受力的影響。

D1 工況邊界約束條件同B5-2 工況，載荷項(xiàng)目增加了行走電機(jī)作用的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力。各組合工況計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

從表2 中計(jì)算結(jié)果可知，水平側(cè)向載荷作為一種常規(guī)載荷，雖然在不同規(guī)范中對(duì)其取值有差異，但對(duì)結(jié)構(gòu)整體影響不大。B5-1 工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于B1 組合工況的最大應(yīng)力值，局部桿件應(yīng)力增大后仍符合許用應(yīng)力要求。B5-2 工況與B5-1工況計(jì)算結(jié)果比較，水平側(cè)向力增大了撓性腿側(cè)附近結(jié)構(gòu)應(yīng)力，但對(duì)剛性腿側(cè)幾乎沒有影響。在設(shè)計(jì)起重機(jī)時(shí)，一般只考慮水平側(cè)向力的局部影響，如行走臺(tái)車和行走梁。

D1 工況與B5-1 工況計(jì)算結(jié)果比較，對(duì)撓性腿側(cè)應(yīng)力影響很小，但對(duì)剛性腿側(cè)水平腹桿影響較大。此模擬工況下?lián)闲酝鹊牟粚?duì)稱載荷對(duì)主梁受力為水平面的懸臂載荷，門式起重機(jī)跨度較大，力臂較長(zhǎng)，軌道在行走方向上沒有約束，因此產(chǎn)生了較大的水平彎矩。剛性腿作為約束端，其根部水平約束反力達(dá)到了7×104N，遠(yuǎn)超規(guī)范推薦算法的計(jì)算結(jié)果。偏斜運(yùn)行導(dǎo)致在主梁變截面處也產(chǎn)生了較大的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力。本文計(jì)算代入載荷僅為電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，整機(jī)運(yùn)行起動(dòng)時(shí)大車行走電機(jī)有瞬時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩峰值效應(yīng)，并會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行沖擊載荷，可能引起結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力屈服破壞。

為避免偏斜運(yùn)行對(duì)門式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的影響，GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求：當(dāng)門式起重機(jī)跨度超過30m 時(shí)，需要采用剛性腿加撓性腿的支腿結(jié)構(gòu)；跨度大于40m 的門式起重機(jī)和裝卸橋應(yīng)設(shè)置偏斜指示或限制裝置。現(xiàn)實(shí)中單側(cè)電機(jī)同時(shí)損壞的可能性較小，且電氣保護(hù)裝置會(huì)限制出現(xiàn)單側(cè)運(yùn)行的情況發(fā)生，正常工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)如D1 模擬工況的極限狀態(tài)。門式起重機(jī)兩側(cè)支腿運(yùn)行的同步性要能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)反饋，一般運(yùn)行偏斜量控制在1‰以內(nèi)；當(dāng)偏斜量超過3‰時(shí)，應(yīng)立即停車檢查[4]。

5 結(jié)論

本文通過建立門式起重機(jī)有限元分析模型，計(jì)算對(duì)水平側(cè)向載荷和水平慣性力，并模擬一種故障狀態(tài)下的極端情況作為特殊載荷組合進(jìn)行計(jì)算起重機(jī)的安全性，分析規(guī)范制定的原因如下。

1）水平側(cè)向力的產(chǎn)生原因很多，按照規(guī)范取值計(jì)算得出的水平側(cè)向載荷后，應(yīng)分析對(duì)局部結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)本文研究結(jié)構(gòu)形式的門式起重機(jī)在保障其他載荷組合通過校核的前提下，可以不單計(jì)算整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

2）在D1 工況的極限狀態(tài)下，由部件故障等原因引起的水平側(cè)向載荷已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范計(jì)算的正常值，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了不可忽略的應(yīng)力影響，必須采取有效糾偏措施，保障門式起重機(jī)的運(yùn)行安全。

3）門式起重機(jī)跨度較大時(shí)，采用撓性腿結(jié)構(gòu)和糾偏裝置進(jìn)行控制都會(huì)降低運(yùn)行偏斜載荷對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力的影響。