煤礦裝卸用門式起重機的優化分析

張 堅

（大同煤礦集團金莊煤業有限責任公司，山西 大同 037101）

引言

起重機是指在一定承受范圍內的縱向提升與橫向搬運較重物體的一種起重機械，即為吊車。煤礦裝卸使用起重機一般用于煤礦露天堆場中，負責搬運現場的重物。煤礦使用的起重機包含不同的技術參數，如承載力、最大風壓、長度、跨度、小車輪壓等，通過對起重機的元分析，了解起重機結構和運行原理等，實現起重機的優化設計，實現高水平、高性能地服務煤礦現場，更加高效地應用在煤礦工作中。

1 門式起重機ANSYS分析

ANSYS分析是一種利用電腦使隨意連續介質看成被不同數值與力學特點的單元構成，且各個單元之間相互連接［1］。在計算時，利用節點相連的力傳遞加以研究，結合力學知識和數學理論，并組成方程，得到單元與節點的移動數據和應力。入籍，這種分析方法廣泛應用到不同的領域中，通過靜力協調、屈曲分析等的研究，為相關研究提供了分析方法。

ANSYS是有限元分析的輔助軟件，通過結合前后數據及現實狀況進行分析，得出的數據相對真實可靠，準確率較高。ANSYS軟件主要分類有：結構分析的基本環節，可以分析線性和非線性，很好的應用到起重機的金屬結構分析中。主要計算的為強度與剛度數據；包括了不同的方面，如模態、震動、瞬態動力等。ANSYS對起重機模態分析主要分析有三種：自振頻率控制，以此對起重機加以設計；非線性分析，對此ANSYS的主要方法為弧長計算；動力分析，動力分析變載荷和阻尼等，并對效率等不同的數據加以分析。

2 門式起重機結構靜力學分析

2.1 載荷計算

依照起重機設計規定，通過實際煤礦卸載需要，對門式起重機的載荷進行計算，載荷種類為自重、起升、運行沖擊等等［2］。自重荷載記為PG，主要涵蓋的是門架結構的重力以及門式起重機承受的不同零件和器材的重力。大車在工作時會產生一定的沖擊形成速度輔助力，應和載荷沖系系數相乘；起升載荷記為PQ，主要為起重機能夠提升的所有重物的重量和，開啟時對全部結構出現的縱向形成沖擊力，將起升載荷與動載系數相乘記為總的升載荷。對于橫向慣性載荷PH，當大小車共同運行時會對整個起重機形成一種沖擊力，橫向慣性載荷值是由運行質量與制動加速度以及系數的乘積。

2.2 載荷處理

小車鋼軌固定法為壓板與焊接方法。前者是采用壓板將鋼軌下部與主梁上接合，每個壓板之間有固定間距，而后者是將鋼軌焊在板面上，組鋼軌與主梁為一體。在對起重機的鋼軌進行分析時，可以利用ANSYS進行分析，但是不需要建模，可以將載荷與主梁直接相連。同時為了提高數據分析的準確性，可以準確加載主梁，測量得出載荷主要成三角形狀布局。腹板壓力長度計算公式是：

式中，C為系數（通常即為C＝3.3），In為小車軌道＋翼緣板形成慣性矩，δ為腹板厚度［3］。

3 煤礦裝卸用起重機結構ANSYS分析

3.1 剛度與強度分析

起重機的形狀為箱狀，起重機雙梁門式模型利用SHELL63。依照起重機的大小明確網格劃分尺寸。由于現場要求不同，結合施工情況進行設計和分析。如出現兩個危險施工狀況，則對其中一個可以將小車布置在門架跨中盛滿重物后提升，根據門架的慣性以及打車制動、自身質量等，結合風載荷與門架的偏斜力度；對于另外一個施工風險狀況，將小車放置在有效懸臂長度位置，盛滿重物提升，也結合第一狀況的數據加載。通過對不同工況的加載和分析，可以通過制定有限元法校核表格統計出剛度與強度。計算時通常將安全系數設定1.33，結合鋼制型號，對起重機的許用應力、最大垂直靜撓度、有效懸臂距離等加以分析。

3.2 起重機結構模態分析

起重機結構的研究過程中，如符合剛度規定時，則需要利用ANSYS分析模態，掌握起重機的震頻與振型，避免共振出現。依照起重機振動的位移線路，可針對不同階級加以研究。依照研究結果得知起重機金屬結構上下振動的固有頻率，并確定其水平和垂直振頻全部符合標注，防止低頻問題發生。對模態分析和剛強度的分析比較相似，主要分為跨中與有效懸臂。對于不同工況需要相結合進行有限元分析。如存在2個工況，對于第1個工況，可將小車放置在門架跨中（同剛強度分析相似），無需估算門架質量，沒有門架慣性力和風載荷，根據不同階模態的形變狀況加以分析和計算。對于第2個工況，可以將小車放置在門架側面的有效懸臂處，與1工況一樣加以計算。

4 煤礦卸載用起重機優化設計

4.1 優化起重機模型

煤礦裝卸用起重機受到運行地點的影響，對起重機的機構和大小無需更改。在保持大小不變的情況下，利用板厚度的改變對模型加以優化。可以針對起重機的主梁、隔板的不同數據加以分析和更改。變量主要有主梁的不同零件厚度（如主腹板、蓋板、副腹板等），板厚（支腿、下橫梁、加肋、橫隔等）［4］。

4.2 約束條件

約束條件主要包括應力、剛度和自振頻率的約束，對于應力約束條件主要是由最大應力和剪力、材料許用應力和剪力、安全系數、版計算點的壓縮、局部、剪切應力、板局部失穩應力等計算得來；對于剛度方面，主要由小車輪壓、輪壓支撐間隔、撓度系數、跨度、材料彈性等計算出來；對于自振頻率，應在2～4之間。

4.3 優化結果

由于起重機的板厚數值降低，則其結構重力降低，此時應力極高值升高，安全指數極度降低。通常可以觀察不同工況的曲線圖，位于下面的曲線則應力小。結合優化的垂直撓度和自重之間的變化關系得知，板厚數值降低，起重機自重也相對降低，此時垂直移動距離增加，剛度性能減少，容易出現安全隱患［5］。曲線位于上面的剛度較強。而結合現實設計，可將優化成果加以圓整，并對比優化前與后的大小變化。可以分析出優化后不同指標和數值的變化。

5 結語

起重機是承受重物并搬運的設備，裝卸起重機在煤礦施工現場有著很重要的作用。對起重機的結構、模態、剛度、強度、荷載等數值需要高度重視，只有合理科學，才能保證高效地實現裝卸工作需求，并且保證煤礦工作的安全。通過對起重機進行元分析，在了解原理的基礎上，利用ANSYS方法對其靜力學和結構的分析，并加以優化，結合模型和約束條件加以改進，提高裝卸起重機的性能和效率，更好地運用到煤礦工作中。

［1］ 黃秋蕓，唐文獻，蔡運迪，等.基于APDL的船用起重機吊臂的參數化設計［J］.中國制造業信息化，2012，5（11）：240-243.

［2］ 陳寶鳳，李文峰，付宜進，等.林業起重機整機結構有限元分析和實驗驗證［J］.徐州工程學院學報（自然科學版），2014，2（7）：729-814.

［3］ 李拔周，徐長生.基于ANSYS的100 t龍門起重機結構有限元分析［J］.起重運輸機械，2010，3（6）：312-314.

［4］ 倪佩韋，王勝春，于艷杰，等.塔式起重機動態特性方法研究進展［J］.山東建筑大學學報，2014，6（8）：556-563.

［5］ 管志俊，張青雷，郭井寬，等.一種 QD250／50／10t-25.5型橋式起重機有限元分析［J］.上海電氣技術，2011，2（4）：115-220.