電動單梁起重機主梁的結構改進與有限元分析

河南工學院機械工程系 河南新鄉 453003

LD型電動單梁起重機性價比高，使用方便，結構輕巧，目前應用范圍較廣［1］。統計數據顯示，國內目前使用的起重機械中，有70%是電動單梁起重機，說明電動單梁起重機已經成為施工過程中不可缺少的起重設備［2］。但是，目前的LD型電動單梁起重機∏型主梁多數采用壓制成型及多段拼焊的工藝制作而成，耗能高，效率低，如何改進主梁制作工藝，并使其能夠滿足現代化生產需求，是一個需要迫切解決的問題。

1 傳統主梁結構

目前，我國生產的LD型電動單梁起重機主梁大多數是箱型實腹梁，采用壓制的∏型槽鋼和工字鋼組焊而成，電動葫蘆以工字鋼下翼緣板作為軌道［3］。主梁截面如圖1所示。

▲圖1 傳統主梁截面

2 傳統主梁制作工藝

對于傳統的LD型電動單梁起重機，用5～6 mm厚的Q235鋼板在專用壓胎上壓制成∏型槽，將若干個∏型槽拼焊加長，然后焊接筋板、工字鋼，再焊接兩側板，最后焊接連接板而形成主梁。傳統的∏型槽制作工藝為：矯正鋼板→預處理→下料→壓力機壓制∏型槽→焊接接長∏型槽→焊接筋板等→后續工序。

傳統制作工藝中，因為主梁∏型槽的槽長受到剪板機剪口長度及壓力機工作臺長度的制約［3］，所以∏型槽較短，要達到所需長度，需人工將多個∏型槽拼焊在一起，從而增加了主梁的縱向焊縫。可見，傳統的∏型梁制作工藝存在以下缺點：主梁縱向焊縫較多，容易產生焊接缺陷；產品質量較低；勞動強度大，生產效率低；污染嚴重。

3 改進后主梁結構

改進后的主梁∏型槽使用冷彎成型的生產工藝，一次性連續加工而成。為了提高主梁的承載能力，采用在主梁∏型槽的三條邊上分別加上弧形槽的結構，其截面如圖2所示。應用該結構可省去傳統工藝中焊接縱向加強筋的工序。

▲圖2 改進后主梁截面

4 改進后主梁制作工藝

隨著科技的不斷發展，冷彎成型技術以節能、環保、高效等特點得到了廣泛應用［4］。改進后的主梁∏型槽采用一次性冷彎成型工藝。冷彎成型是板類金屬加工的重要方法之一，將卷料或單張板料放入由多對具有一定形狀成型軋輥組成的成型機，使坯料逐步彎曲變形，最終得到均一截面產品［5］。因為改進后的主梁∏型槽三條邊上各加了一個弧形槽，為實現弧形槽的加工，在∏型槽制作過程中需要在冷彎成型機中增加三個縱向弧形槽成型輥。制作工藝為：開卷機開卷板→矯平機矯平→剪板機剪板→對中→輥式冷彎成型→牽引輸送→焊接筋板等→后續工序。

全流程采用可編程序控制器控制，自動化程度較高，并且改進后的主梁∏型槽采用冷彎成型技術，通過冷彎機加工，不需要進行多個∏型槽的對接焊接，因而主梁的生產效率及質量均得到了明顯提高。

5 有限元建模分析

5.1 建模

以LD型電動單梁起重機主梁為研究對象，應用SolidWorks軟件進行三維建模。首先對構成主梁的零件進行單個建模，然后采用自上而下的裝配形式逐個進行裝配，建立的主梁模型如圖3和圖4所示。

主梁三維模型建立完成之后，采用SolidWorks Simulation對主梁進行結構分析。

▲圖3 傳統主梁三維模型

▲圖4 改進后主梁三維模型

5.2 設置材料屬性

起重機械鋼結構的材料主要有低合金結構鋼和普通碳素鋼兩種。電動單梁起重機鋼結構所用的材料大多為Q235鋼，因此定義材料為普通碳素鋼［6］，設置模型類型為線彈性各向同性，定義材料彈性模量為210 GPa，泊松比為 0.28。

5.3 施加載荷和約束

起重機主梁通常被簡化為簡支梁形式，因此載荷類型設置為固定幾何體形式。當小車滿載運行至主梁跨中時，主梁處于最危險工況［7-8］，因此將載荷施加在主梁工字鋼的下翼緣表面上，所施加力的大小為小車額定起重力與電動葫蘆重力之和。電動葫蘆的重力為4 900 N，小車額定起重力為49 000 N，可得總施加力為53 900 N。

5.4 網格劃分

設置網格密度為良好，網格參數設置為基于曲率的網格，并且進一步指定網格單元的大小，網格的雅可比點選取4點。

5.5 分析結果

表1列出了改進前后主梁的應力和撓度，其中的參數是在SolidWorks Simulation中提取的，最大應力和最大撓度均是在起重小車滿載并位于主梁跨中時提取的。

由表1可知，改進后主梁應力和撓度比改進前主梁應力和撓度小，即改進后主梁的強度和剛度提高了。

表1 改進前后主梁應力和撓度

5.6 結果驗算

有限元分析后，再通過靜力學方法來驗證主梁的有限元分析結果。

起重機主梁所用材料為Q235鋼，對于塑性材料，強度可以按下式計算［9-10］:

式中：［σ］為材料許用應力；σs為起重機鋼材屈服強度；ni為安全因數，取ni=1.33。

Q235鋼的屈服強度為235 MPa，經計算，許用應力［σ］約為 177 MPa。

主梁撓度f的計算式為：

式中：［f］為許用撓度；L為主梁跨度，取L=12 m。

經計算，主梁許用撓度［f］為17.2 mm。

通過靜力學計算結果可以看出，當起重小車滿載運行位于主梁跨中時，也就是在最惡劣的工況時，表1中改進前后主梁的應力和撓度均在允許范圍之內。

6 結束語

經過分析，改進后主梁的強度和剛度相比傳統主梁的強度和剛度有所提高。改進后主梁制造工藝簡單，勞動強度低，生產成本低，減小了焊接產生的環境污染，創造價值可觀，并且符合當今機械生產的發展趨勢。