一種單懸臂起重機有限元與抗傾覆性能分析

摘 要：通過對一種單懸臂起重機靜力分析，完成了主梁兩種工況的應力和最大撓度計算以及在不同風力等級下起重機的抗傾覆校核。通過分析，該起重機設計符合要求，保證設備運行的安全穩定。利用MIDAS軟件可以方便的進行起重機主梁應力分析與撓度求解，為起重機設計提供參考。

關鍵詞：單懸臂；門式起重機；有限元；靜力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.192

0 引言

單懸臂門式起重機的主梁長度大于起重機的跨度，懸臂根據施工需要或場地限制設置在起重機一端，主要承擔地隧道內的施工渣土的吊運與傾倒、模板管片吊運、盾構施工的材料和構件等器材的垂直運輸[1-2]。為了保證設備使用過程中的穩定與可靠性，必須對其在各種工況下結構強度等進行計算分析[3]，從而為研究單懸臂起重機的結構設計和工程實踐提供參考。

一種單懸臂門式起重機為某城市地鐵施工專用雙梁門式起重機，該起重機整體為箱梁焊接及螺栓連接，起重量45t（掛梁滑輪以下），跨度24m，主梁下凈空高12m，起升速度9 m/min，大車（整機）走行40 m/min，小車（天車）走行40 m/min，工作制度為A6（重級）。

1 有限元分析與計算

由于起重機結構較為復雜，傳統計算手段需要多種假設條件，難以獲得符合工程實際的準確結果，因此本設計采用有限元分析方法，借助MIDAS軟件完成主梁結構的靜力學分析研究。

1.1 主梁應力分析

利用MIDAS有限元分析軟件對主梁進行強度計算，首先建立模型，定義材料屬性（本機采用Q345B材料），使用板單元進行單元定義，完成約束條件和加載。根據起重工況不同，分別求解移動載荷位于懸臂段和在主梁跨中位置的主梁應力分布狀況。計算結果如圖1、2所示。

經過計算分析，當移動載荷位于懸臂段時主梁最大應力值為88 MPa，根據強度校核條件[4]，選取的安全系數為1.5，88MPa<=230（MPa）滿足強度要求；當移動載荷在主梁跨中時，主梁最大應力值為66 MPa，根據強度校核條件66MPa<230（MPa）= 滿足強度要求。

1.2 剛度計算

根據起重工況，分別求解移動載荷位于懸臂端和主梁跨中位置的主梁撓度狀況。計算結果如圖3、4所示。

經計算移動載荷在主梁懸臂端最大撓度15mm≤滿足要求；當移動載荷在主梁懸臂端最大撓度18mm≤滿足要求。

2 起重機抗傾覆穩定性計算

該起重機的單懸臂結構，其抗傾覆穩定性進行計算校核，主要考慮以下兩類工況：

（1）縱向工況1：懸臂平面，無風靜載。此工況小車位于懸臂端，起吊額定起升載荷。

其中PQ為額定起重量；G1為橋架自重；G2為小車自重；KG為自重載荷的載荷系數；KP為起升載荷的載荷系數；a為小車重心至支撐點的距離；c為橋架重心至支承點的距離。由于計算結果大于0，根據起重機設計規范，此工況滿足抗傾覆穩定性要求。

（2）橫向工況：大車走行方向，暴風侵襲。此工況考慮起重機錨固未工作，受暴風侵襲12級大風，橫向大車走行方向，抗傾覆穩定性校核計算式為：

式中為橫向作用于橋架及小車上的風力；為橋架及小車橫向擋風面積自支腿鉸接點量起的形心高度；B為同軌兩走行機構中間位置軸距；計算結果大于零，該起重機在錨固狀態下可抵抗暴風侵襲不發生傾覆。該設備已經在某沿海城市投入使用1年多，運行狀況良好，工作狀態穩定。

3 結論

對一種單懸臂門式起重機不同工況的應力與撓度計算，以及不同風力狀態下起重機的抗傾覆計算，計算結果表明，設備設計符合相關要求，能夠保證設備運行的安全可靠。其結果可應用于同類單懸臂地鐵用起重機靜力及穩定性分析，為工程實踐提供參考。

參考文獻：

[1]馮國臣，馮超.新型地鐵施工用龍門起重機[J].交通建設與管理，2009（Z1）：37-39.

[2]范小寧，戚其松，徐格寧，王君.門式起重機金屬結構參數化有限元分析及設計[J].起重運輸機械，2015（02）：55-61.

[3]裴寶浩，張為春，馬兵兵，杜賢斌，陳杰.起重機車架結構的優化及模態分析[J].起重運輸機械，2012（09）：67-69.

[4]《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊（第三版）[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2004：13-14.

作者簡介：陳佰江（1981-），男，碩士，教師，講師，工程師，從事機械設計及制造教學與研究工作。endprint