雙梁橋式起重機設(shè)計審核及改進措施

本文引用格式：，，，等.雙梁橋式起重機設(shè)計審核及改進措施[J].自動化與信息工程，2025，46（3）：58-63. JIANG Bingdong， CHEN Min， HE Shan， et al. Design review and improvement measures for double-girder bridge craness[J].Automationamp; Information Engineering，2025，46（3）：58-63.

關(guān)鍵詞：雙梁橋式起重機；設(shè)計審核；數(shù)值仿真；強度分析；局部穩(wěn)定性中圖分類號：TH215 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-2605（2025）03-0009-06DOI： 10.12475/aie.20250309 開放獲取

Design Review and Improvement Measures for Double-girder Bridge Craness

JIANG Bingdong1CHEN Min1HE Shan1 HUANG Guojian2ZHANG Changli1 （1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection amp; Testing， Guangzhou 510oo0， China 2.Guangdong Mechanical amp; Electrical Polytechnic， Guangzhou 51Ooo0， China）

Abstract：To eliminate potential hazardsofcranesat the source，their designmustbe strictlycontrolled.Thisstudytakes the QD150-50t-45.3double-girderbridgecraneastheresearchobject，conductsadesignreviewbasedonnumerical simulationand proposes correspondingimprovement measures.Basedonloadand workingconditionanalysis，teoverallsrengthandlocalstability ofthemain girderarereviewed.Theoverallstrengtheviewreveals thatthetroleyexhibitsextensivestressareas exceedingthe allowableliitudertedelectioeviewcondition. Afertrgeted improvements，themaximumstressonte tollyisducedt 165.2MPa .Through local stabilityreviewand enhancements，the allowable stress for the local stabilityofthe track-side web plate increases from 68.3MPa to 85.9MPa ，meeting safety requirements.

Keywords：double-girder bridge crane; design review; numerical simulation; strengthanalysis;local stability

0 引言

橋式起重機作為一種重要的物料搬運設(shè)備，在造船、工礦、鋼鐵化工、鐵路交通、港口碼頭以及物流等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛I。橋式起重機在完成搬運工作的同時，也存在諸多安全風(fēng)險，如設(shè)備故障、操作失誤、超負(fù)荷起吊、安全保護裝置失效等，均可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。為此，須對橋式起重機的設(shè)計嚴(yán)格把關(guān)，從源頭消除潛在危險[2]。

近年來，許多專家學(xué)者圍繞起重機設(shè)計開展了大量研究。文獻[3-6]對橋式起重機進行了強度分析及主梁優(yōu)化設(shè)計，輕量優(yōu)化效果顯著。文獻[7-8]通過分析箱型梁的局部穩(wěn)定性來評估起重機的穩(wěn)定性能，并提出了調(diào)整橫隔板和縱向加勁肋布局的優(yōu)化方案。文獻[9-10]對比分析斷裂力學(xué)原理、熱點應(yīng)力法、等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法等理論方法，評估通用橋式起重機剩余使用壽命的準(zhǔn)確性和適用性，并提出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是較為理想的評估方法，可提升起重機運行的安全可靠性。文獻[11采用有限元分析與振動測試技術(shù)對門座起重機進行健康狀態(tài)檢測和安全評估，能夠檢測出門座起重機的磨損、裂紋等缺陷，及時發(fā)現(xiàn)起重機結(jié)構(gòu)的潛在問題，從而提前對設(shè)備進行維護和修復(fù)，提高了起重機的安全性和可靠性。文獻[12]采用三維數(shù)值仿真技術(shù)和響應(yīng)面分析法對橋式起重機主梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在保證性能的同時實現(xiàn)了主梁的輕量化設(shè)計。盡管上述研究在起重機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、剩余使用壽命評估和穩(wěn)定性提升等方面取得了重要進展，但主要集中在主梁或端梁的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和剩余使用壽命評估方面，缺乏對起重機整機結(jié)構(gòu)的整體審核和分析，導(dǎo)致局部研究與整體的關(guān)聯(lián)性不足。

本文以QD150-50t-45.3雙梁橋式起重機為研究對象，重點圍繞整機強度和主梁局部穩(wěn)定性審核開展研究，分析其在實際載荷作用下的應(yīng)力分布和局部失穩(wěn)情況，并基于仿真數(shù)值計算進行起重機設(shè)計審核并提出相應(yīng)的改進措施，以提高設(shè)備的可靠性，降低安全風(fēng)險。

1主要設(shè)計參數(shù)

QD150-50t-45.3雙梁橋式起重機的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2載荷與載荷系數(shù)

根據(jù)QD150-50t-45.3雙梁橋式起重機的實際使用情況，其涉及的載荷與載荷系數(shù)主要包括：結(jié)構(gòu)自重載荷 P_G 、小車自重載荷 P_T 、起升動載系數(shù) φ₂ 、額定載荷 P_Q 、小車起制動產(chǎn)生的水平慣性載荷 P_H1 、大車起制動產(chǎn)生的水平慣性載荷 P_H2 和大車偏斜運行時的水平側(cè)向載荷 P_s 等[13]。

2.1 結(jié)構(gòu)自重載荷 P_G

QD150-50t-45.3雙梁橋式起重機的結(jié)構(gòu)自重載荷包括主體金屬結(jié)構(gòu)自重和附屬結(jié)構(gòu)自重。其中，主體金屬結(jié)構(gòu)自重在有限元模型中直接體現(xiàn)，而司機室、電氣室、欄桿等附屬結(jié)構(gòu)自重以質(zhì)量點的形式在有限元模型中體現(xiàn)。

2.2 起升動載系數(shù) φ₂

起升動載系數(shù)計算公式為

φ₂=φ_2min+β₂ν_q

式中： φ_2min 為與起升狀態(tài)級別相關(guān)的最小起升動載系數(shù)， β_?2 為與起升狀態(tài)級別相關(guān)的系數(shù)， u_q 為穩(wěn)定起升速度。

通過計算，主鉤起升動載系數(shù)為1.16，副鉤起升動載系數(shù)為1.21。

2.3 額定載荷 P_Q

額定載荷 P_Q 主要施加在小車車輪與軌道的接觸 處，額定載荷作用示意圖如圖1所示。

根據(jù)杠桿原理，施加在小車車輪與軌道接觸處的額定載荷 P_Q 表達式為

2.4大車偏斜運行時的水平側(cè)向載荷 P_s

大車偏斜運行時的水平側(cè)向載荷 P_s 是指裝有車輪的起重機在穩(wěn)定狀態(tài)縱向運行時，其導(dǎo)向裝置（如導(dǎo)向滾輪或車輪輪緣）因?qū)蚍醋饔昧Χ鸬囊环N偶然出現(xiàn)的載荷，其表達式為

式中： 為起重機承受側(cè)向載荷側(cè)端梁上的最大輪壓和，可由有限元分析得出； λ 為水平側(cè)向載荷系數(shù)，與起重機跨度 S 和起重機基距 B （或有效軸

距 Δ_a ）的比值相關(guān)。QD150-50t-45.3雙梁橋式起重機的跨度 S=43.5m ，有效軸距 a=4.8m ，則 λ=0.2 。

3 載荷組合與工況

雙梁橋式起重機的工作情況復(fù)雜，需對載荷進行合理組合并制定符合實際的工況。根據(jù)QD150-50t--45.3雙梁橋式起重機設(shè)計審核的實際需要，制定了如表2所示的5個工況。其中，工況1和工況2用于整機強度審核，工況3用于下?lián)隙葘徍?，工況4用于主鉤吊載時的小車審核，工況5用于副鉤吊載時的小車審核。

4強度審核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

有限元仿真技術(shù)是一種高精度、適用性強的數(shù)值計算方法。QD150-50t-45.3雙梁橋式起重機的金屬結(jié)構(gòu)大都為薄殼類型，采用Shel63有限單元可以精確模擬計算其結(jié)構(gòu)的受力情況。該起重機承載結(jié)構(gòu)及小車承載結(jié)構(gòu)所用材料均為Q345B，強度系數(shù) n=1.48 則材料許用應(yīng)力 [σ]=σ_s/n=233.0MPa 。本文依據(jù)GB/T3811一2008《起重機設(shè)計規(guī)范》的要求審核其金屬結(jié)構(gòu)強度。

4.1審核結(jié)果及分析

通過有限元仿真分析可知，在工況1、工況2下，整機的最大應(yīng)力分別為162.6、 150.3MPa ，均小于許用應(yīng)力 233.0MPa 。由于該起重機的結(jié)構(gòu)和載荷具有對稱性，只需建立其一半的有限元模型即可進行分析。工況1下整機應(yīng)力云圖如圖2所示。

由圖2可知：在工況1下，整機應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力為 162.6MPa ，小于許用應(yīng)力 233.1MPa 符合安全使用要求；且最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁跨中下翼緣板，符合工況1的實際受力情況。

在工況3下，根據(jù)有限元分析計算結(jié)果可知，主梁跨中的最大變形量為 53mm ，即主梁的垂直靜撓度f=53mm ，小于許用垂直靜撓度 [f]=58mm ，符合安全使用要求。

在工況5下，根據(jù)有限元分析計算結(jié)果可知，小車的最大應(yīng)力為 163.2MPa ，小于許用應(yīng)力 233.0MPa 符合安全使用要求；

工況4下小車應(yīng)力云圖如圖3所示。根據(jù)有限元分析計算結(jié)果可知，小車架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為233.0MPa ，已達到許用應(yīng)力的最大值。因此，小車架結(jié)構(gòu)強度不符合安全使用要求。

圖3中的小車架局部一一主鉤定滑輪承載梁主要由梁1、連接板、梁2和梁3組成。其中，梁1為箱型結(jié)構(gòu)，梁2與梁3均為工字梁結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖4可知，在主鉤定滑輪承載梁上，超過許用應(yīng)力的區(qū)域主要在連接板及連接板與梁1、梁2、梁3的連接部位，主要原因是連接板厚度不足或梁1與梁

2、梁3的過渡區(qū)過于尖銳，不夠平滑。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

為了解決主鉤定滑輪承載梁上最大應(yīng)力超過許用應(yīng)力的問題，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并重新進行仿真分析。結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施主要包括：1）將連接板厚度由原來的 20mm 加厚至 30mm ；2）將梁1的腹板、上翼緣板、下翼緣板與梁2、梁3的腹板、上翼緣板、下翼緣板直接相連，以平滑過渡區(qū)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，工況4下主鉤定滑輪承載梁的應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知，采取上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施后，主鉤定滑輪承載梁的最大應(yīng)力為 165.2Mpa ，承載能力增強，力流傳導(dǎo)性得到改善，有效避免了應(yīng)力集中，從而使其最大應(yīng)力滿足安全使用要求。

5主梁局部穩(wěn)定性審核及改進措施

雙梁橋式起重機的主梁采用大截面箱型梁，其翼緣板和腹板在載荷作用下易發(fā)生局部失穩(wěn)，因此有必要對主梁進行局部穩(wěn)定性審核。根據(jù)工況設(shè)置條件及有限元分析結(jié)果，工況1僅需計算主梁跨中箱型梁的局部穩(wěn)定性。主梁跨中箱型梁主要由上翼緣板、下翼緣板、軌道側(cè)腹板和軌道對側(cè)腹板組成。由于下翼緣板主要承受拉應(yīng)力，且在材料抗拉強度范圍內(nèi)不會發(fā)生失穩(wěn)，故無需進行失穩(wěn)分析。因此，只需對該雙梁橋式起重機主梁的上翼緣板和腹板進行局部穩(wěn)定性審核。

5.1審核結(jié)果及分析

通過有限元分析計算得到的軌道側(cè)腹板的應(yīng)力分布圖如圖6所示。

a- 計算板長（兩塊相鄰橫隔板之間的腹板長度）； b- 計算板寬（腹板高度）； σ₁^- 腹板上部的壓應(yīng)力； σ₂ 一腹板下部的拉應(yīng)力；板1一最上部縱向加強肋和上蓋板之間的腹板部分。

由圖6可知，板1所在區(qū)格受到的壓應(yīng)力最大，為最危險位置，因此只需審核板1的局部穩(wěn)定性。

板1的應(yīng)力分布圖如圖7所示。

板1的局部穩(wěn)定性主要審核過程如下：

由有限元仿真分析可知，軌道側(cè)腹板的剪切應(yīng)力τ=10.1MPa 。在小車車輪的集中載荷作用下，軌道側(cè)腹板上邊緣產(chǎn)生的局部壓應(yīng)力為

式中： P 為一個車輪的集中載荷， Φ_t 為軌道側(cè)腹板的厚度， c 為集中載荷的分布長度。

約定 α=a/b ， ψ=σ₂/σ₁ ， β=c/α ，則臨界壓應(yīng)力為

σ_i，ler=χ_σK_σσ_E=850.7MPa

式中： χ_σ 為壓應(yīng)力作用下的板邊彈性嵌固系數(shù)，取 χ_σ=1.64 ; K_σ=8.4/（ψ+1.1） 為壓應(yīng)力作用下的

屈曲系數(shù)； 為四邊簡支單向均勻受壓板的歐拉應(yīng)力。

臨界剪切應(yīng)力為

τ_i，cr=χ_τK_τσ_E=657.1MPa

式中： x_τ 為剪切應(yīng)力作用下的板邊彈性嵌固系數(shù)，取 χ_τ=1.23 ： K_τ=5.34+4/α² 為剪切應(yīng)力作用下的屈曲系數(shù)。

臨界局部壓應(yīng)力為

σ_i，mcr=χ_mK_mσ_E=65.8MPa

式中： χ_m 為局部壓應(yīng)力作用下的板邊彈性嵌固系數(shù)，取 λ_m=1;K_m=（2+0.7/α²）[（1+β）/αβ] 為局部壓應(yīng)力作用下的屈曲系數(shù)。

綜合以上各值，可求出臨界復(fù)合應(yīng)力為

Λ=101.1MPa

式中： n 為軌道側(cè)腹板的局部穩(wěn)定性安全系數(shù)，與強度安全系數(shù)一致，取1.48。

軌道側(cè)腹板的局部穩(wěn)定性許用應(yīng)力為

軌道側(cè)腹板的局部穩(wěn)定性公式為

式中： σ_t 為綜合應(yīng)力。

當(dāng)公式（9）成立時，軌道側(cè)腹板的局部穩(wěn)定性滿足安全使用要求;否則，反之。因σ，= 82.9 MPagt;[σr]，故其的局部穩(wěn)定性不滿足安全使用要求。

軌道側(cè)腹板的局部穩(wěn)定性不滿足安全使用要求的主要原因有：1）軌道側(cè)腹板板厚不足；2）相鄰兩橫隔板之間的距離過大，導(dǎo)致圖7中板1的計算板長

a 過大；3）最上部縱向加強肋和上翼緣板之間的距離過大，導(dǎo)致圖7中板1的計算板寬 b 過大。

5.2 改進措施

針對以上原因，考慮采取以下改進措施：1）將軌道側(cè)腹板厚度由原來的 10mm 加厚至 12mm ；2）在間距為 1 500mm 的大橫隔板之間，增設(shè)一塊間距為750mm 、高度為 500mm 、厚度為 6mm 的小隔板，使板1的計算板長 a 減少至 750mm ；3）將最上部縱向加強肋與上翼緣板之間的間距由 450mm 縮短至400mm ，即板1的計算板寬 b 縮短至 400mm 。因改進措施1）和2）均需額外增加成本，而改進措施3）無需增加成本，故在確保安全的前提下，綜合考慮成本因素，最終選擇改進措施3）。

通過改進措施3），軌道側(cè)腹板的局部穩(wěn)定性許用應(yīng)力為 [σ_cr]=85.9MPa ，滿足 σ_t=82.9MPalt; [σ_cr] 的要求，即滿足安全使用要求。

6結(jié)論

本文通過對QD150-50t-45.3雙梁橋式起重機進行整機強度和主梁局部穩(wěn)定性審核，發(fā)現(xiàn)小車主鉤定滑輪承載梁處存在大面積超過許用應(yīng)力的區(qū)域。通過增加板厚、使過渡區(qū)更加平滑等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，將最大應(yīng)力降至 165.2MPa ，小于許用應(yīng)力 233.0MPa 從而滿足安全使用要求。

通過對主梁局部穩(wěn)定性審核，計算出軌道側(cè)腹板的綜合應(yīng)力為 82.9MPa ，大于其局部穩(wěn)定性許用應(yīng)力68.3MPa 。通過將最上部縱向加強肋和上翼緣板之間的間距由 450mm 縮短至 400mm ，將其局部穩(wěn)定性許用應(yīng)力提升至 85.9MPa ，從而滿足安全使用要求。

本文改進措施可推廣至其他類型的起重機或其他領(lǐng)域的金屬結(jié)構(gòu)中，具有較強的實用性。

? Theauthor（s） 2024.This isanopenaccessarticle under the CC BY-NC-ND 4.0 License （https：//creativecommons.org/licenses/ by-nc-nd/4.0/）

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作者簡介：

蔣秉棟，男，1984年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：起重機械檢驗檢測、安全評估和風(fēng)險管理。E-mail：502414769@qq.com陳敏，男，1988 年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：起重機檢驗檢測、安全節(jié)能與技術(shù)。E-mail：zidane2006@qq.com何山，男，1987年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：起重機檢驗檢測、安全評估。E-mail：516315464@qq.com黃國健，男，1981年生，博士研究生，教授級高級工程師，主要研究方向：機電一體化技術(shù)。E-mail：3136944@qq.com張長利，男，1983年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：起重機械檢驗檢測、安全評估。E-mail：258203974 @ qq.com