一種橋式起重機(jī)基礎(chǔ)受力分析技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用與研究

李 銘

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

1 概述

隨在機(jī)械、冶金、電力、交通運(yùn)輸、采礦、建筑、造船、化工、國防和港口等工業(yè)部門中廣泛地使用各種形式的起重機(jī)是伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展而不斷地發(fā)展起來的[1]。各種形式的起重機(jī)不僅僅是減輕體力勞動的重要工具，而且還是流水作業(yè)和大批生產(chǎn)不可或缺的重要組成部分，同時(shí)它也是大幅度提高勞動生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動化、機(jī)械化的重要途徑，并且在很多場合下在生產(chǎn)過程中起輔助作用[2]。常見的門式起重機(jī)、橋式起重機(jī)、塔式起重機(jī)、門座起重機(jī)、鐵路起重機(jī)、汽車起重機(jī)、纜索起重機(jī)、桅桿起重機(jī)等形式的起重機(jī)是按照起重機(jī)體型特點(diǎn)來進(jìn)行的分類[3]。當(dāng)然起重機(jī)的分類方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，還有很多其他類型的分類方法。例如在門式起重機(jī)和橋式起重機(jī)中，又按吊具不同分為：抓斗、吊鉤、電磁、抓斗電磁、掛梁等起重機(jī)。從金屬結(jié)構(gòu)來看，還可依據(jù)主梁形式不同分為箱型雙梁和箱型單梁起重機(jī)等[5]。橫架于料場、車間和倉庫上方進(jìn)行吊運(yùn)物料是橋式起重機(jī)最為顯著的特點(diǎn)[6]。另外它的另一個(gè)顯著特征就是形狀與橋梁相似都是將兩端坐落在高大的金屬支架或者水泥柱上。充分利用橋架下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙是橋式起重機(jī)的一個(gè)非常大的優(yōu)勢，主要是由于它的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行節(jié)省了很大的使用空間[7]。也正因?yàn)橛腥绱硕嗟膬?yōu)點(diǎn)才使得橋式起重機(jī)成為使用數(shù)量最多、應(yīng)用范圍最廣的一種起重機(jī)械設(shè)備。但是這種橋式起重機(jī)基礎(chǔ)的建設(shè)非常的重要，橋式起重機(jī)基礎(chǔ)不僅要承擔(dān)重物的力，由于橋式起重機(jī)在軌道上運(yùn)行、停車等操作，所以還要承擔(dān)沖擊載荷的力[8]。國內(nèi)外由于橋式起重機(jī)基礎(chǔ)固定不牢固造成的人身傷亡事故比比皆是[9]。因此非常有必要對橋式起重機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行力學(xué)分析，為橋式起重機(jī)的安全運(yùn)行提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

2 問題的提出

2.1 礦井概況

國家能源集團(tuán)公司某礦井田開拓方式是斜井—立井混合式開拓方式，該礦目前主要在16#煤層布置兩個(gè)綜放工作面。全礦井采用中央分列式通風(fēng)，共有主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)3 個(gè)井筒。2014 年6 月中煤科工集團(tuán)重慶研究院對該礦煤層自燃傾向等級鑒定結(jié)果為16#煤層為Ⅱ類自燃煤層；最短自然發(fā)火期16#煤層為63d。2018年礦井瓦斯等級鑒定的礦井瓦斯絕對涌出量為6.52m3/min，礦井相對涌出量2.48m3/t，屬于低瓦斯礦井。該礦井采用無軌膠輪車運(yùn)輸材料和人員，計(jì)劃在井底車場設(shè)置一個(gè)組裝站，在組裝站中組裝液壓支架和無軌膠輪車等設(shè)備，同時(shí)還可以維修一些井下常用的大型設(shè)備如采煤機(jī)、綜掘機(jī)等設(shè)備。因此在組裝站中需要安裝一臺橋式起重機(jī)來吊運(yùn)設(shè)備和重物。

2.2 提出問題

（1）橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)分析。國家能源集團(tuán)公司某礦采用了山東龍輝起重機(jī)械有限公司生產(chǎn)LG 型單梁橋式起重機(jī)，橋架，提升機(jī)構(gòu)，小車、大車移行機(jī)構(gòu)，小車導(dǎo)電裝置(輔助滑線)，操縱室，起重機(jī)總電源導(dǎo)電裝置(主滑線)等構(gòu)件共同構(gòu)成了LG型單梁橋式起重機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。

①橋架。主梁、端梁、走臺等部分共同構(gòu)成了橋架結(jié)構(gòu)，也是組成起重機(jī)的最基本的構(gòu)件。析架、箱形、圓管、腹板等組成了主梁跨架。其中端梁分布在主梁的兩端，走臺設(shè)置在兩個(gè)主梁的外側(cè)，并且為了操作人員的人身安全期間在走臺周圍還設(shè)置了安全欄桿。另外將大車移行機(jī)構(gòu)設(shè)置安裝在駕駛室一側(cè)的走臺上，將輔助滑線設(shè)置安裝在走臺的另一側(cè)。提供給小車移動的導(dǎo)軌鋪設(shè)在主梁的上方。在大車移動機(jī)構(gòu)拖動下，沿車間長度方向的導(dǎo)軌上移動是橋式起重機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，也是它的一個(gè)非常明顯的優(yōu)勢。

②大車移行機(jī)構(gòu)。大車拖動電動機(jī)、減速器、傳動軸、制動器及車輪等部件共同構(gòu)成了大車移行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動方式有分別驅(qū)動與集中驅(qū)動是大車移行機(jī)構(gòu)的兩種主要的驅(qū)動方式。

③小車移行機(jī)構(gòu)。橋架導(dǎo)軌上安放著小車，小車的主要特點(diǎn)是能夠沿著車間寬度方向進(jìn)行來回移動。提升機(jī)構(gòu)、小車架及小車移行機(jī)構(gòu)等共同構(gòu)成了小車。由制動器、小車電動機(jī)、減速器、聯(lián)軸節(jié)及車輪等共同構(gòu)成了小車移行機(jī)構(gòu)。減速箱裝在小車的一側(cè)和減速箱在兩個(gè)主動輪中間是小車移行機(jī)構(gòu)最主要的傳動形式。

④提升機(jī)構(gòu)。由減速器、提升電動機(jī)、制動器、卷筒等共同構(gòu)成了提升機(jī)構(gòu)。提升電動機(jī)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(dāng)卷筒轉(zhuǎn)動時(shí)，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15t及以上的起重機(jī)，備有兩套提升機(jī)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(yùn)動；隨著小車在車間寬度方向獲得左右運(yùn)動，并能隨大車在車間長度方向做前后運(yùn)動。這樣就可實(shí)現(xiàn)重物在垂直、橫向、縱向三個(gè)方向的運(yùn)動，把重物移至車間任意位置，完成起重運(yùn)輸任務(wù)。

⑤操縱室。操縱室又稱駕駛室是指操縱起重機(jī)的吊艙。提升機(jī)構(gòu)控制裝置、大、小車移行機(jī)構(gòu)控制裝置及起重機(jī)的保護(hù)裝置等共同構(gòu)成了操縱室。一般情況下是將操縱室固定在主梁的一端，但是個(gè)別情況下也有將操作室設(shè)置安裝在小車下方隨小車移動的。通向走臺的艙口通常設(shè)置安裝在操縱室的上方以方便于檢修人員檢修大、小車機(jī)械與電氣設(shè)備時(shí)上下走動時(shí)使用。

（2）橋式起重機(jī)的基礎(chǔ)分析。橋式起重機(jī)軌道基礎(chǔ)斷面圖如圖1所示，首先對該礦井底車場組裝硐室巷道兩幫進(jìn)行掏槽，用來鋪設(shè)軌道，掏槽規(guī)格為深×寬×高為1000mm×150mm×150mm，掏槽完畢后，將11#礦用工字鋼（1000mm）放入槽內(nèi)，放入后工字鋼統(tǒng)一外露400mm，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(shí)，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?18mm×1600mm錨桿固定。11#工字鋼底部與鐵板之間焊接一塊工字鋼，當(dāng)工字鋼固定件固定后，另外在工字鋼上方鋪設(shè)一層長×寬×厚為30000mm×400mm×20mm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(shè)30kg軌道，最后將軌道與鐵板固定，如圖2所示。其次每隔1500mm使用11#工字鋼、20mm厚鐵板安設(shè)一組支撐點(diǎn)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2430mm，掏槽時(shí)需要礦地測科現(xiàn)場標(biāo)定腰線，施工隊(duì)組根據(jù)腰線進(jìn)行掏槽。軌道鋪設(shè)后要前后、左右平齊。井底車場組裝硐室頂板打吊錨索（外露400mm），用來起吊軌道與起重機(jī)。工字鋼固定件用長×寬×厚為500mm×400mm×20mm 的鐵板進(jìn)行加工，鐵板中上部掏一個(gè)工字鋼形狀的孔用來套工字鋼用，再在鐵板上掏3 個(gè)?20mm的錨桿眼用來打設(shè)錨桿用。

怎樣才能夠保證橋式起重機(jī)的基礎(chǔ)穩(wěn)定可靠，能夠滿足起重機(jī)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。本論文正是在面臨這樣的技術(shù)難題的情況展開了技術(shù)研究的。

3 問題的分析與解決

3.1 橋式起重機(jī)基礎(chǔ)受力分析

本論文中只針對橋式起重機(jī)基礎(chǔ)的一組支撐點(diǎn)固定件進(jìn)行力學(xué)分析，其他組支撐點(diǎn)固定件的力學(xué)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(xué)坐標(biāo)系的方法劃分若干個(gè)力學(xué)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(qiáng)度來進(jìn)行分析比較判斷橋式起重機(jī)基礎(chǔ)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(xué)指導(dǎo)。

3.2 橋式起重機(jī)的橋式橫梁受力分析

當(dāng)橋式起重機(jī)小車移動至最左邊時(shí)，以右側(cè)支撐點(diǎn)B為基準(zhǔn)原點(diǎn)，對橋式橫梁進(jìn)行受力分析，此時(shí)支撐點(diǎn)A受的力最大，如圖3所示。

根據(jù)空間力系的平衡方程：∑M=0 且設(shè)力F3的方向?yàn)檎?，則有：

式中：F1——小車吊鉤1所能承受的力為49kN；

L1——小車吊鉤1距支撐點(diǎn)B的垂距，2100mm；

F2——小車吊鉤2所能承受的力，為49kN；

L2——小車吊鉤2距支撐點(diǎn)B的垂距，4300mm；

F3——支撐點(diǎn)A對橋式橫梁的支撐力；

L3——支撐點(diǎn)A距支撐點(diǎn)B的垂距，5200mm。

所以：

3.3 橋式起重機(jī)基礎(chǔ)懸臂梁受力分析

相對于懸臂梁來說，圖4中支撐點(diǎn)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(guān)系，因此F3′=F3=60.27kN。

圖中以支撐點(diǎn)0為基準(zhǔn)原點(diǎn)，對橋式起重機(jī)基礎(chǔ)懸臂梁進(jìn)行受力分析；

根據(jù)空間力系平衡方程：∑M=0，且設(shè)F3′的方向?yàn)檎?，則有：

式中：F3′——橋式橫梁對懸臂梁的作用力，60.27kN；

L3——作用力F3′距支撐點(diǎn)0的垂距，200mm；

F4′——撐桿對懸臂梁支撐力的垂向分力；

L4——作用力F4′距支撐點(diǎn)0的垂距，350mm。

所以：

由于撐桿與懸臂梁夾角為45°，∴α=45°。

根據(jù)空間力系平衡方程：

式中：F5——煤壁對懸臂梁的拉力；

F4″——撐桿對懸臂梁的支撐力的橫向分力，34.4kN。

由于11#工字鋼的橫截面積為0.002㎡，橫截面周長為0.5142m。

又因?yàn)閷?1#工字鋼插入煤壁孔中600mm，且用C30 高標(biāo)號混凝土進(jìn)行了全長澆筑，所以孔內(nèi)11#工字鋼澆筑的表面積為：514.2mm×600mm=308520mm2，根據(jù)建筑管理規(guī)范規(guī)定查得C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.01N/mm2，所以可以計(jì)算孔內(nèi)澆筑C30 強(qiáng)力混凝土后，孔內(nèi)混凝土對懸臂梁抗拉強(qiáng)度：

另外：∵F4″=34.4kN

又∵11#工字鋼橫截面積S=0.0029㎡=2900mm2

∴在撐桿對懸臂梁支撐力的橫向分力的拉應(yīng)力：

由于考慮到小車運(yùn)動過程中存在沖擊載荷的作用，因此取安全系數(shù)為10：

∴通過比較可以知道該基礎(chǔ)完全能夠滿足工程實(shí)踐的要求。

4 結(jié)語

（1）通過對橋式起重機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行力學(xué)分析，為橋式起重機(jī)的安全運(yùn)行提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

（2）通過對橋式起重機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行力學(xué)分析，為其他礦井具有相似工程條件的項(xiàng)目提供了可供參考的價(jià)值和經(jīng)驗(yàn)，起到了拋磚引玉的作用；

（3）通過對橋式起重機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行力學(xué)分析，充分證明該礦基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是完全能夠滿足安全生產(chǎn)要求的，具有重要的理論和實(shí)踐意義。