特殊結構橋式起重機的有限元分析

馬世輝，何麗萍

（1.河南工學院 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.新飛電器有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

雙梁橋式起重機是很常見的搬運設備，一般由橋架、小車、大車運行機構和電氣部分組成，其中橋架結構是主要承載結構。普通的雙梁橋式起重機已經實現了標準化，但在某些特殊的環(huán)境，還需重新訂制特殊的橋架結構。對于特殊結構的起重機，利用有限元分析軟件對其橋架結構進行有限元分析，使設計者對橋架結構特性有一個直觀的認識，縮短產品的生產周期，具有理論和現實意義。

1 新型起重機結構的初步設計

某廠房的軌道間距13m，最大承受輪壓為180kN，需起吊32t的重物，工作級別A5。但廠房房頂較低，不能安裝普通雙梁橋式起重機，需對橋架結構做相應的改進。改進后的起重機如圖1：

與普通雙梁橋式起重機相比較，該起重機主要設計變動為：（1）大車運行采用八個輪以降低輪壓；（2）主梁側面增加副梁，小車在副梁的軌道上運行，降低整車高度。本文通過對該橋式起重機橋架結構進行有限元分析進行強度、靜剛度及動剛度校核。

圖1 改進后的橋式起重機

2 橋架結構的有限元分析

2.1 橋架結構的有限元模型

由于主梁側面增加了副梁，如果全部采用beam單元，副梁所受的力只能通過加載到相應節(jié)點的扭矩和力表示，導致副梁局部應力與分析結果不符。如果全部采用shell單元，端梁部分進行約束時會出現局部應力過于集中的情況。為了使結果更精確，主梁結構采用shell單元，端梁部分采用beam單元。由于大車運行機構采用八個輪，橋架結構兩根主梁對稱，只對單根主梁建模分析。建模過程中需要注意一下幾個方面：

（1）采用“cerig”命令對主梁與端梁連接部分做節(jié)點耦合處理。

（2）主梁上的軌道簡化成相應的質量因素，不再建模。（3）橋架結構材料參數如表1所示：

表1 材料參數

圖2 橋架結構的有限元模型

2.2 約束條件與載荷施加

對橋式起重機進行分析時，需約束單側端梁沿小車運行方向的位移自由度，另一側則不約束此位移自由度；大車運行方向同樣采取端梁一側約束，另一側不約束的情況；垂直方向的位移和旋轉自由度均需約束。

該橋式起重機工作環(huán)境為室內，工作時受的載荷包括自重載荷、起升載荷、在不平路面運行產生的沖擊載荷，以及大小車運行時的慣性載荷。其中在不平路面運行產生的沖擊載荷和大小車運行時的慣性載荷比較小，可以忽略。因此只考慮自重載荷和額定起升載荷。

自重載荷是指起重機本身的結構、機械設備、電氣設備以及在起重機工作時始終積結在它的某個部件上的物料等質量的重力。本文中的橋式起重機，建模時只建了主梁和端梁的模型，加載時可以適當增大重力加速度的值。

起升載荷是指起重機起吊額定起重量時的總起升質量的重力。當物品無約束地起升離開地面時，物品的慣性力將會使起升載荷出現動載增大的作用。為了保證計算結果的準確性，需要考慮起升動載系數。根據文獻3可知，可由起升速度的狀態(tài)及起升狀態(tài)級別計算得出。經計算，取。

2.3 強度分析

當進行強度分析時，一般考慮小車處于極限位置時的工況，即（1）小車滿載且位于橋架跨中位置；（2）小車滿載且位于左側或右側極限位置，一般只考慮主吊鉤與軌道極限距離更近的一側。對有限元模型施加載荷后進行求解，結果如表1，圖3所示：

表1 橋架結構靜強度分析結果

圖3 橋架結構靜強度分析結果

2.4 靜剛度分析

主梁靜剛度是小車位于橋架主梁跨中位置時，由額定起升載荷及小車自重載荷在該處產生的垂直靜撓度f。根據文獻3要求，跨中許用靜剛度為f≤1750S，其中S為橋式起重機跨度（13m）。

f≤1750S=17.33mm

對有限元模型施加額定起升載荷和小車自重載荷后，進行求解，結果如圖4所示：

圖4 主梁靜剛度分析

由圖4，主梁跨中位置最大下撓值為6.09mm，小于許用靜剛度17.33mm。結構設計安全。

3 結語

本文對特殊結構的雙梁橋式起重機橋架結構進行建模及有限元分析，分析結果表明主梁的結構設計滿足強度、剛度的要求，而且強度、剛度安全富余空間較大，為進一步進行主梁的優(yōu)化提供了參考。在檢修和維護時，要保證跨中位置主、副梁連接處的焊縫和副梁上蓋板的強度。

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