橋式起重機基礎受力分析研究

武 俊

(國家能源集團 烏海能源有限責任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

起重機作為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的重要工具，在礦山、交通運輸、建筑、機械、采礦、化工、電力、造船、港口和國防等工業(yè)部門中得到了越來越廣泛的應用[1]。目前起重機已經(jīng)成為流水作業(yè)和大批量生產(chǎn)的重要載體和組成部分，它已經(jīng)成為減輕工作人員體力勞動提高工作效率，實現(xiàn)機械化、自動化的重要載體和工具，而不僅是作為一種輔助工作來使用[2-3]。目前對起重機可以有很多種類型的分類方法，通常情況下是按照其體型特點來進行分類[4]，如橋式起重機、門式起重機、門座起重機、汽車起重機、塔式起重機、纜索起重機、鐵路起重機、桅桿起重機等[5]。人們根據(jù)門式起重機和橋式起重機中吊具類型的不同又細分為：抓斗、電磁、吊鉤、掛梁、抓斗電磁等起重機[6]。另外，從主梁結(jié)構(gòu)形式上可以劃分為箱型單梁和箱型雙梁起重機等[7]。橫架于倉庫、車間和料場上空進行物料吊運的起重設備稱為橋式起重機[8]，主要原因是它的形狀類似于橋型2個端頭坐落在高大的金屬支架或水泥柱上[9]。橋架沿鋪設在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行是橋式起重機運行的主要特點，這樣就可以充分發(fā)揮橋架下面空間大而廣闊的優(yōu)勢，不受地面障礙物的影響來自由地吊運貨物[10]。由于橋式起重機具有以上這些優(yōu)勢條件，使其成為應用數(shù)量最多、使用范圍最廣的一種起重機械設備[11]。但是這種橋式起重機基礎的建設非常重要，橋式起重機基礎不僅要承擔重物和起重機自重的力，由于橋式起重機在軌道上運行、停車等操作，所以還要承擔沖擊載荷的力[12]。國內(nèi)外由于橋式起重機基礎固定不牢固造成的人身傷亡事故比比皆是[13]。因此非常有必要對橋式起重機基礎進行力學分析，為橋式起重機的安全運行提供理論依據(jù)和科學指導。

1 礦井概況

國家能源集團公司某礦井田開拓方式是斜井—立井混合式開拓方式，該礦目前主采北三采區(qū)的16號煤層，16號煤層布置了1個綜合機械化放頂煤工作面和2個綜合機械化掘進工作面。礦井采用中央分列式通風，全礦有4個井筒，分別為主斜井、副斜井、行人斜井、回風立井。2014年6月，煤炭科學研究總院重慶研究院對該礦自燃傾向等級鑒定結(jié)果為：16號煤層為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期63 d。2018年礦井瓦斯等級鑒定的礦井瓦斯絕對涌出量為6.52 m3/min，礦井相對涌出量2.48 m3/t，屬于低瓦斯礦井。該礦井采用無軌膠輪車運輸材料和人員，計劃在井底車場設置一個組裝站，在組裝站中組裝液壓支架和無軌膠輪車等設備，同時還可以維修一些井下常用的大型設備如采煤機、綜掘機等。因此，需要在組裝站安裝1臺橋式起重機來吊運設備和重物。

2 問題提出

2.1 橋式起重機的結(jié)構(gòu)分析

國家能源集團某礦采用LG型單梁橋式起重機，LG型單梁橋式起重機的結(jié)構(gòu)分為橋架，小車、大車移行機構(gòu)，提升機構(gòu)，操縱室，小車導電裝置(輔助滑線)，起重機總電源導電裝置(主滑線)等部分。

(1)橋架。橋式起重機的基本構(gòu)件就是橋架，其中端梁、主梁、走臺等構(gòu)成了橋架的主體結(jié)構(gòu)[14]。箱形、析架、腹板、圓管等結(jié)構(gòu)構(gòu)成了主梁跨架，并且主梁跨架位于跨間的上空。端梁設置在主梁的兩端，走臺設計在兩主梁外側(cè)，并用安全欄桿圍起來。大車移行機構(gòu)設計在駕駛室一側(cè)的走臺上，向小車電氣設備供電的裝置設計安裝在另一側(cè)走臺上，即輔助滑線[15]。導軌鋪設在主梁上方，供小車移動。在大車移動機構(gòu)拖動下整個橋式起重機沿車間長度方向的導軌上移動[16]。

(2)大車移行機構(gòu)。大車拖動電動機、減速器、傳動軸、車輪及制動器等部件構(gòu)成了大車移行機構(gòu)，有分別驅(qū)動與集中驅(qū)動2種驅(qū)動方式[17]。

(3)小車移行機構(gòu)。橋架導軌上安放小車，并且可順著車間的寬度方向進行移動[18]。由鋼板焊接成小車，小車架以及其上的小車移行機構(gòu)和提升機構(gòu)等共同組成小車。小車電動機、聯(lián)軸節(jié)、制動器、減速器及車輪等共同組成小車移行機構(gòu)[19]。小車電動機經(jīng)減速器驅(qū)動小車主動輪，拖動小車沿導軌移動，因為小車主動輪相距的距離比較近，所以使用了1臺電動機驅(qū)動。減速箱裝在小車的一側(cè)和減速箱在2個主動輪中間是小車移行機構(gòu)傳動的2種基本形式，并且各有各的優(yōu)勢。減速箱裝在小車的一側(cè)，使安裝與維修比較方便；減速箱裝在2個主動輪中間，使傳動軸所承受的扭矩比較均勻[20]。

(4)提升機構(gòu)。提升電動機、卷筒、減速器、制動器等組成了橋式起重機的提升機構(gòu)。提升電動機經(jīng)聯(lián)軸器、制動輪與減速器連接，減速器的輸出軸與纏繞鋼絲繩的卷筒相連接，鋼絲繩的另一端裝吊鉤，當卷筒轉(zhuǎn)動時，吊鉤就隨鋼絲繩在卷筒上的纏繞或放開而上升或下降。對于起重量在15 t及以上的起重機，備有2套提升機構(gòu)，即主鉤與副鉤。由此可知，重物在吊鉤上隨著卷筒的旋轉(zhuǎn)獲得上下運動，隨著小車在車間寬度方向獲得左右運動，并能隨大車在車間長度方向做前后運動。這樣就可實現(xiàn)重物在垂直、橫向、縱向3個方向的運動，把重物移至車間任意位置，完成起重運輸任務。

(5)操縱室。操縱室是操縱起重機的吊艙，又稱駕駛室。操縱室內(nèi)有提升機構(gòu)控制裝置、大小車移行機構(gòu)控制裝置及起重機的保護裝置等。操縱室一般固定在主梁的一端，也有少數(shù)裝在小車下方隨小車移動的。操縱室的上方開有通向走臺的艙口，供檢修人員檢修大、小車機械與電氣設備時上下。

2.2 橋式起重機的基礎分析

橋式起重機軌道基礎斷面如圖1所示。首先對該礦井底車場組裝硐室巷道兩幫進行掏槽，用來鋪設軌道。掏槽深×寬×高為1 000 mm×150 mm×150 mm，掏槽完畢后，將11號礦用工字鋼(1 000 mm)放入槽內(nèi)，放入后工字鋼統(tǒng)一外露400 mm，所有外露工字鋼截面要使用激光調(diào)成一條直線，工字鋼調(diào)直后使用水泥將掏槽夯實，工字鋼固定后，將加工好的鐵板套入工字鋼內(nèi)，隨后將鐵板使用3根φ18 mm×1 600 mm錨桿固定。11號工字鋼底部與鐵板之間焊接一塊工字鋼，當工字鋼固定件固定后，另外在工字鋼上方鋪設一層長×寬×厚為30 000 mm×400 mm×20 mm的鐵板并與工字鋼固定，工字鋼上方鐵板固定后在鐵板上方搭設30 kg軌道，最后將軌道與鐵板固定，如圖2所示。其次每隔1 500 mm使用11號工字鋼、20 mm厚鐵板安設1組支撐點固定件，固定件一共需要100組(兩幫各50組)，每根工字鋼底部距離頂板2 430 mm，掏槽時需要礦地測科現(xiàn)場標定腰線，施工隊組根據(jù)腰線進行掏槽。軌道鋪設后要前后、左右平齊。井底車場組裝硐室頂板打吊錨索(外露400 mm)，用來起吊軌道與起重機。工字鋼固定件用長×寬×厚為500 mm×400 mm×20 mm的鐵板進行加工，鐵板中上部掏一個工字鋼形狀的孔用來套工字鋼，再在鐵板上掏3個φ20mm的錨桿眼用來打設錨桿。

圖1 橋式起重機軌道基礎斷面Fig.1 Cross section of track foundation of bridge crane

圖2 橋式起重機基礎施工斷面Fig.2 Cross section of bridge crane foundation construction

怎樣才能夠保證橋式起重機的基礎穩(wěn)定可靠，能夠滿足起重機頻繁起重，并且在沖擊載荷的作用下不發(fā)生安全事故，成為非常重要的研究課題。該論文正是在面臨這樣的技術難題的情況展開了技術研究的。

3 橋式起重機基礎受力分析

本文針對橋式起重機基礎的一組支撐點固定件進行力學分析，其他組支撐點固定件的力學分析和這組相同就不再一一分析了。并且采取逐一建立空間力學坐標系的方法劃分若干個力學分析單元，逐漸逼近煤壁的受力分析，最后與煤壁鉆孔內(nèi)C30號混凝土的抗拉強度來進行分析比較判斷橋式起重機基礎的可靠性和穩(wěn)定性，為安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和科學指導。

4 橋式橫梁受力分析

當橋式起重機小車移動至最左邊時，以右側(cè)支撐點B為基準原點，對橋式橫梁進行受力分析，此時支撐點A受的力最大，如圖3所示。

圖3 橋式起重機的橋式橫梁受力分析示意Fig.3 Stress analysis diagram of bridge beam of bridge crane

根據(jù)空間力系的平衡方程：∑M=0，且設力F3的方向為正，則有：

F3L3-F2L2-F1L1=0

(1)

式中，F(xiàn)1為小車吊鉤1所能承受的力，為49 kN；L1為小車吊鉤1距支撐點B的垂距，2 100 mm；F2為小車吊鉤2所能承受的力，為49 kN；L2為小車吊鉤2距支撐點B的垂距，4 300 mm；F3為支撐點A對橋式橫梁的支撐力；L3為支撐點A距支撐點B的垂距，5 200 mm。

代入數(shù)據(jù)計算得出，F(xiàn)3=60.27 kN。

5 基礎懸臂梁受力分析

橋式起重機基礎懸臂梁受力分析如圖4所示。

圖4 橋式起重機基礎懸臂梁受力分析Fig.4 Schematic diagram of force analysis for cantilever beam of bridge crane foundation

相對于懸臂梁來說，圖3中支撐點A對橋式橫梁的支撐力F3與橋式橫梁對懸臂梁的力F3′是一對作用力與反作用力的關系，因此F3′=F3=60.27 kN。

圖4中，以支撐點O為基準原點，對橋式起重機基礎懸臂梁進行受力分析。

根據(jù)空間力系平衡方程：∑M=0，且設F3′的方向為正，則有：

(2)

由于撐桿與懸臂梁夾角為45°，α=45°。

F4′/F4=sinα

(3)

故F4=sinα=48.64 kN。

根據(jù)空間力系平衡方程：∑FX=0。

(4)

(5)

由于11號工字鋼的橫截面積為0.002 9 m2，橫截面周長為0.514 2 m；又因為將11號工字鋼插入煤壁孔中600 mm，且用C30混凝土進行了全長澆筑，所以孔內(nèi)11號工字鋼澆筑的表面積為308 520 mm2。

根據(jù)建筑管理規(guī)范，查得C30混凝土的抗拉強度標準值為2.01 N/mm2。

所以可以計算孔內(nèi)澆筑C30強力混凝土后，孔內(nèi)混凝土對懸臂梁抗拉強度σb=620 125.2 MPa。

考慮到小車運動過程中存在沖擊載荷的作用，取安全系數(shù)為10。

(6)

σb=620 125.2 MPa?σa′=10σa=118.6 MPa。

通過比較可知，該基礎完全能夠滿足工程實踐的要求。

6 結(jié)語

(1)通過對橋式起重機基礎進行力學分析，為橋式起重機的安全運行提供理論依據(jù)和科學指導。

(2)通過對橋式起重機基礎進行力學分析，為其他礦井具有相似工程條件的項目提供了參考。

(3)通過對橋式起重機基礎進行力學分析，充分證明該礦基礎的設計是完全能夠滿足安全生產(chǎn)要求的，具有重要的理論和實踐意義。