橋式起重機偏軌主梁輕量化設計及穩定性分析

李翔 王麗麗（新鄉市起重設備廠有限責任公司，河南新鄉 453000）

?

橋式起重機偏軌主梁輕量化設計及穩定性分析

李翔 王麗麗
（新鄉市起重設備廠有限責任公司，河南新鄉 453000）

【摘要】針對橋式起重機偏軌主梁的結構形式、梁內橫隔板的布置方式、小車運行用軌道形式，以及主梁材質的選擇、靜剛度的取值方面進行輕量化設計。并通過對偏軌主梁局部穩定性問題進行分析，從橫隔板間距布置、結構形式及主腹板厚度方面進行探討，進一步實現了對偏軌主梁輕量化設計的目的。

【關鍵詞】橋式起重機 偏軌主梁 輕量化 設計 局部穩定性

對于橋式起重來說，主梁是其重要承載部件，也是起重機自重所占比例最大的部件。一般主梁的重量占起重機總重的60%-70%，所以主梁的輕量化設計是起重機輕量化設計的重要部分。目前，我國的起重機械大多采用古典力學和一些基本的數學模型作為設計手段，對主梁的設計還基本處于一種半經驗半理論狀態，設計過程反復多，周期長，精度低，致使設計出來的起重機重量大，外形尺寸大，材料利用率低，造成資源上的浪費。對起重機械采用輕量化設計可以使其結構更加緊湊，機構簡單輕巧，并能使各機構性能和可靠性增加。另外，在節約材料，降低起重機總重，減小起重機輪壓和降低廠房建筑高度，降低廠房造價等方面優點突出。

1 偏軌主梁的輕量化設計

1.1 采用窄翼緣偏軌主梁的結構形式

從結構形式上來說，窄翼緣偏軌箱型主梁結構相對簡單，焊接變形小，制造工藝簡單，方便實施自動焊接，抗扭轉性能強，所以窄翼緣偏軌主梁可以做大批量生產。在國內，橋式起重機主梁的結構形式大多為正軌或中偏軌形式。自從以科尼和德馬格為代表的國外起重機進入中國市場以后，其偏軌主梁的結構形式被國內認可并逐步發展，致使越來越多的起重機生產廠家采用偏軌箱型梁。與正軌和中偏軌主梁相比，偏軌主梁因小車輪壓在主腹板上方，箱體寬度方向的上蓋板不承受小車輪壓傳遞的壓應力，所以可以取消箱體內部小橫隔板，從而可以減少主梁上蓋板與橫隔板的焊縫數量，容易控制制造過程中的主梁焊接變形和波浪變形。從結構靜強度條件許用應力：，即，其中截面抗彎模量：。代入得：所以對于箱型主梁來說，在抵抗垂直平面內的彎曲變形時，采用窄翼緣箱型梁可得到更高的抗彎強度。另外，因主梁為偏軌結構，在主梁上蓋板寬度方向小車占用較少，主梁上蓋板可以當做人員通道使用，不再單獨設置通道，簡化附件設計，也可減輕起重機自重。所以，采用窄翼緣偏軌主梁可以達到主梁輕量化的目的。

圖1　主梁橫隔板與主梁上蓋板和兩腹板焊接

1.2 輕量化主梁橫隔板布置

因偏軌箱型主梁的主腹板承受所有小車車輪傳遞的壓力，不同于中軌箱型梁，需要小橫隔板支撐上蓋板并將小車車輪輪壓通過小橫隔板傳遞給整個主梁的箱型結構，所以偏軌主梁可以取消小橫隔板來進行輕量化設計。

1.3 小車軌道形式的變化

在橋式起重機設計過程中為降低整機高度，小車鋼軌均采用方鋼。在正軌或中偏軌起重機主梁上布置的供小車運行用的鋼軌均為起重機專用軌道或P型鋼軌，鋼軌重量大。主梁固定形式采用壓板固定，鋼軌與主梁為分體結構形式，所以鋼軌不能參與主梁剛度和強度計算。且鋼軌底面與主梁上翼緣板接觸面較寬，在采用壓板固定時需將主梁上翼緣板外伸部分加寬用來固定鋼軌壓板，在翼緣板外伸部分的下方需增加三角板做支撐，以抵抗翼緣板焊接和承壓變形，這樣會使主梁截面及重量進一步增加。如采用方鋼作為小車運行的軌道，采用焊接形式固定，方鋼本身可以參與主梁剛度和強度的計算，減少主梁材料的使用，也可減小主梁上翼緣板的寬度，且不需要三角板支撐外伸的主梁上翼緣板。以德馬格和科尼為代表的國外先進起重機廠家，在橋式起重機主梁的設計上均采用焊接軌道的偏軌主梁結構形式，并將方鋼作為主梁一要素參與強度和剛度的計算，使主梁高度降低，截面尺寸相對減小，橋架結構尺寸相對減小，達到對主梁輕量化設計的目的。

2 主梁用材的選擇

通常情況下，通用橋式起重機主梁的材料均為Q235，而輕量化設計后偏軌主梁材質按不同的情況有Q235和Q345兩種。在滿足靜強度、靜剛度、高跨比范圍和疲勞強度等控制條件下，以主梁輕量化為目的，進行結構材料的選取。在通過對兩種材料的主梁進行計算后，在符合各項控制數值的情況下，主梁用材的選取情況可依照以下：

（1）起重機工作級別在A5以下的橋式起重機。（2）額定起重量在50t及以下的，采用兩種不同的材料計算出的主梁的各項指標相差很小，且主梁強度在100-130Mpa，根據這兩種材料的價格因素考慮，所以選用Q235。（3）定起重量在50t以上，若材料采用Q345，主梁重量平均可降低13%，所以選用Q345。（4）起重機工作級別在A5及以上時。因工作級別在A5及以上時，結構應進行疲勞強度計算，疲勞許用應力為140-150 Mpa。采用Q235和Q345時計算結果發現主梁重量差別很小。但考慮板材價格問題，所以選用Q235。

通過對Q235和Q345兩種材料進行細化對比，靈活合理的選用材料，可一定范圍內的降低主梁重量，達到對偏軌主梁進行輕量化的目的。

合理選擇主梁的靜剛度：按照GB/T3811-1988版本《起重機設計規范》的要求，起重機靜剛度是根據起重機工作級別等級進行劃分的，缺乏科學性。修訂后的GB/T3811-2008版本的《起重機設計規范》對靜剛度要求進行了重新規定：對低定位精度要求的起重機，或具有無極調速控制特性的起重機；采用低起升速度和低加速度能達到可接受定位精度的起重機：s使用簡單控制系統能達到中等定位精度特性的起重機：：需要高精度定位的起重機：s新的設計規范將主梁的靜剛度與起重機的控制系統和定位精度向關聯，體現了新的設計理念，同時也指引了起重機主梁輕量化設計的方向。隨著起重機技術的發展，代表起重機先進控制技術的變頻電控技術成熟運用，很大程度上提高了定位精度，并減少了動態沖擊，所以在采用變頻控制時，主梁的剛度控制在不大于S/ 750即可，這樣可充分利用金屬結構材料，達到對起重機主梁輕量化設計的目的。

3 穩定性分析

主梁是起重機重要的承載部件，起重機主梁的局部穩定性破壞是主梁失效的主要形式之一，主梁的局部穩定性問題主要針對主梁蓋板及腹板局部因受壓，使蓋板或腹板承載能力逐步減弱，致使應力重新分配造成應力集中，并超過強度破壞極限，導致局部失穩并引發主梁整體破壞。在偏軌主梁穩定設計中，其箱體內橫隔板和加筋的布置數量及位置設置至關重要。

3.1 輕量化偏軌主梁橫隔板的布置方式

在普通的橋式起重機主梁中，橫隔板的設置一般在1m左右，根據GB/T3811-2008《起重機設計規范》中的規定，設置橫向加筋時，a=（0.5-2）b，且不大于2m，其中a為隔板間距，b為主梁腹板高度。在主梁輕量化設計時取規范中要求的最大值，即取a=2m，來布置橫隔板位置。由此一來，主梁內部橫隔板的數量減少，在主梁整體重量上實現了輕量化設計的目的。另外，主梁橫隔板的減少的同時橫隔板與主梁上蓋板的焊縫也相對減少，主梁在生產制造過程中的熱變形容易得到控制，并減少了焊接帶來的應力集中和疲勞破壞的可能性。

3.2 輕量化偏軌主梁橫隔板的結構形式

如圖1所示，主梁橫隔板與主梁上蓋板和兩腹板焊接，與下蓋板之間留有50mm的間隙，為減輕橫隔板重量，橫隔板的中間可開跑道型過度孔。為避免焊縫交叉和應力集中，在橫隔板與主梁蓋板和腹板焊縫處的節點倒圓角，一般不小于R35，這樣可以提高橫隔板的承載力并具備良好的延伸性。橫隔板在縱向加筋位置的開孔為矩形且沿主梁箱體中心對稱分布。

在GB/T3811-2008《起重機設計規范》中有關于主梁內部橫隔板厚度的計算，規范中與GB/T3811-2008《起重機設計規范》和起重機設計手冊中出現的公式存在差異，原規范要求板厚為：：而現行的GB/T3811-2008《起重機設計規范》中對橫隔板板厚計算公式為：式中：σs：材料的屈服強度數值。

上述公式中體現了材料性能對板厚度的影響，計算較為合理。

3.3 輕量化偏軌主梁主腹板板厚的選擇

因小車輪壓全部作用在主腹板正上方的小車軌道上，車輪壓力通過方鋼軌道和上蓋板傳遞到主腹板，主腹板和上蓋板的焊縫采用全熔透等強度焊縫，所以主腹板上緣所承受的局部壓應力為：，其中P為小車輪壓，c=2hy+50，hy為軌頂至梁腹板上邊緣計算點的距離；板的板厚為：并要求所以主腹板厚度的選擇與小車輪壓、軌道高度及上蓋板的厚度相關，且不能超過需用應力要求。

4 結語

本文主要探討了橋式起重機偏軌主梁結構輕量化設計的問題，從主梁的結構、材料、軌道、靜剛度以及穩定性控制方面進行研究探討，對橋式起重機偏軌主梁進行輕量化設計，從而推進了橋式起重機偏軌主梁向輕量化、節能型方向發展。

參考文獻：

［1］湯秀麗，張玉.焊接軌道在通用橋式起重機上的應用［J］.起重運輸機械，2012（3）：93-95.

［2］全國起重機械標準化技術委員會.GB/T3811-2008《起重機設計規范》釋義與應用［M］.中國標準出版社，2008.

［3］沈紅高.薄板構件若干穩定性問題［D］.上海：上海海事大學，2003.