橋式起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)載荷試驗(yàn)研究*

□ 房書(shū)繼 □ 孫海燕 □ 陸衛(wèi)軍 □ 廖曉玲 □ 陳笑健

1.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 杭州 310051

2.杭州市富陽(yáng)區(qū)食品安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心 杭州 311400

1 研究背景

橋式起重機(jī)是一種應(yīng)用廣泛、市場(chǎng)保有量較大的起重機(jī)械，一般由橫梁結(jié)構(gòu)、大小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、鋼絲繩、電葫蘆等組成。運(yùn)行時(shí)，橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道來(lái)回運(yùn)行，橋架下空間可充分用于物料吊裝，不受地面設(shè)備阻礙。復(fù)雜的工況使起重運(yùn)輸機(jī)械在安裝、改造、重大維修之后都需要進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)，根據(jù)國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布的《起重機(jī)械監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程》要求，載荷試驗(yàn)是其中的重要環(huán)節(jié)。需開(kāi)展載荷試驗(yàn)的起重機(jī)械多位于新廠房?jī)?nèi)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境無(wú)法滿足需求。老廠區(qū)起重機(jī)械又多限于空間等因素，試驗(yàn)困難。同時(shí)，橋式起重機(jī)械開(kāi)展吊裝重物載荷試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行影響較大。

起重運(yùn)輸機(jī)械運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，其自身結(jié)構(gòu)存在較大的挑戰(zhàn)。目前針對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)械開(kāi)展載荷試驗(yàn)研究的學(xué)者不在少數(shù)［1-3］，熊剛等［4］對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)械箱型梁結(jié)構(gòu)開(kāi)展有限元分析與仿真，袁康等［5］對(duì)起重機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)展三維結(jié)構(gòu)模型分析。也有學(xué)者基于起重運(yùn)輸機(jī)械疲勞壽命開(kāi)展分析研究［6-8］，或是對(duì)具有起重功能的機(jī)械裝置開(kāi)展載荷分析［9-10］，但針對(duì)橋式起重機(jī)載荷試驗(yàn)開(kāi)展仿真分析、試驗(yàn)研究的還不多見(jiàn)。為滿足企業(yè)運(yùn)行需求及檢驗(yàn)檢測(cè)工作需要，筆者基于ANSYS有限元分析軟件及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出一種橋式起重機(jī)吊裝載荷試驗(yàn)方法，以起重機(jī)自身提升力代替砝碼等重物吊裝，實(shí)現(xiàn)高效、快速檢測(cè)。以某0.5 t級(jí)橋式起重機(jī)為研究對(duì)象，將試驗(yàn)結(jié)果與分析數(shù)據(jù)做比對(duì)，驗(yàn)證這一加載方式的可行性，為應(yīng)用于更大噸位橋式起重機(jī)提供參考。

2 橋式起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)模型

▲圖1 橋式起重機(jī)門(mén)架建模

基于ANSYS有限元分析軟件，以某橋式起重機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)體建模分析。橋式起重機(jī)屬于箱梁式結(jié)構(gòu)，擬采用高精度三維實(shí)體單元Solid185對(duì)主梁縱向加筋肋及小車(chē)軌道進(jìn)行建模，單元數(shù)為158 287，Solid單元為無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。依據(jù)起重機(jī)械材料Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼特性，彈性模量為206 GPa，抗拉強(qiáng)度為470 MPa，泊松比為0.3。位移邊界為兩端立柱底面固定支撐。門(mén)架建模如圖1所示，主要包括兩側(cè)支承立柱、梁架及立柱底端縱向加筋肋等，建模時(shí)所有構(gòu)件均采用實(shí)際厚度。

以0.5 t級(jí)橋式起重機(jī)受力情況為例，圖2為載荷加載歷程，第一階段（0～5 kN）載荷步數(shù)為5步，第二階段 （5～6.13 kN）載荷步數(shù)不變，每步載荷增量降至0.226 kN，以便更好地觀察起重機(jī)在額定載荷與最大試驗(yàn)載荷之間的力學(xué)響應(yīng)。由圖2可知，橫梁受載影響較大，顯示為斜率最大；立柱軸向及橫向受載影響隨時(shí)間延長(zhǎng)變化較小；三者受載變化從大到小為橫梁、立柱軸向、立柱橫向。

▲圖2 載荷加載歷程

3 門(mén)架整體結(jié)構(gòu)變形

基于仿真模型設(shè)計(jì)及載荷施加歷程，對(duì)門(mén)架整體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，分別設(shè)計(jì)0.5 t、20 t、50 t級(jí)橋式起重機(jī)門(mén)架模型，模擬不同級(jí)別的受力情況。圖3所示為0.5 t級(jí)橋式起重機(jī)分別在載荷5 kN和6.13 kN時(shí)的門(mén)架總體變形情況，圖4所示為20 t級(jí)橋式起重機(jī)分別在載荷49 kN和245 kN時(shí)的門(mén)架總體變形情況，圖5所示為50 t級(jí)橋式起重機(jī)分別在載荷122.5 kN和612.5 kN時(shí)的門(mén)架總體變形情況。觀察圖3～圖5發(fā)現(xiàn)，立柱在整個(gè)受力過(guò)程中總體變形較小，且梁架整體變形呈現(xiàn)中間大兩邊小的現(xiàn)象，最大變形發(fā)生在梁架中部。以0.5 t級(jí)橋式起重機(jī)為例，依據(jù)TSG Q7016—2016《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定，計(jì)算最大允許撓度為10 mm。由圖3仿真結(jié)果可知，門(mén)架變形程度，即撓度為0.935×10-3mm，小于最大允許撓度，符合要求，其它噸位橋式起重機(jī)同理也符合要求。

4 載荷試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

基于上述仿真分析，為進(jìn)一步驗(yàn)證有限元數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，確保這一加載方式的安全性，以某0.5 t級(jí)橋式起重機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在門(mén)架左右立柱根部區(qū)域加裝抱箍，用于連接鏈條，起重機(jī)加載時(shí)提升鏈條中部，試驗(yàn)中最大載荷約6.9 kN。

在試驗(yàn)過(guò)程中，立柱根部承受彎矩與剪切力，抱箍區(qū)域應(yīng)力相對(duì)較大，所以在抱箍區(qū)域布置應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)方案及測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示，各測(cè)點(diǎn)距地面高度見(jiàn)表1。每根立柱上布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)14個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中2號(hào)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)均為三向應(yīng)變計(jì)，其余測(cè)點(diǎn)均為雙向應(yīng)變計(jì)。

▲圖3 0.5 t級(jí)橋式起重機(jī)門(mén)架總體變形

▲圖4 20 t級(jí)橋式起重機(jī)門(mén)架總體變形

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)抱箍裝置及頂桿，以實(shí)現(xiàn)靜載荷加載。抱箍如圖7所示，其中F為鋼絲繩拉力，F(xiàn)1為軸向分力，F(xiàn)2為橫向分力，G為抱箍最大起重力，α為鋼絲繩與水平方向的夾角。抱箍設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力及螺栓的強(qiáng)度，頂桿結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，此處不再詳述。

▲圖5 50 t級(jí)橋式起重機(jī)門(mén)架總體變形

▲圖6 試驗(yàn)方案與測(cè)點(diǎn)位置

▲圖7 抱箍

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

在試驗(yàn)過(guò)程中，由于橋式起重機(jī)的拉伸力無(wú)法嚴(yán)格按設(shè)定的載荷步加載，因此實(shí)際加載步驟見(jiàn)表2。基于大噸位起重機(jī)試驗(yàn)的安全需要， 第 4、5、6次試驗(yàn)在兩根立柱之間加裝頂桿，以防剪切應(yīng)力過(guò)大或變形。無(wú)頂桿和有頂桿兩種試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

在試驗(yàn)中，應(yīng)變計(jì)1號(hào)～7號(hào)測(cè)點(diǎn)的具體布置如圖9所示，8號(hào)～14號(hào)測(cè)點(diǎn)布置與1號(hào)～7號(hào)測(cè)點(diǎn)類(lèi)似。

表1 測(cè)點(diǎn)距地面高度

表2 試驗(yàn)加載步驟

▲圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.3 結(jié)果分析

依據(jù)上述仿真計(jì)算、試驗(yàn)設(shè)計(jì)及材料力學(xué)分析，以1號(hào)～7號(hào)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。分析比對(duì)測(cè)點(diǎn)軸向及橫向應(yīng)變數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果，圖10所示為2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變情況，圖11所示為3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)測(cè)點(diǎn)橫向應(yīng)變情況。

由圖10可知，2號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變?yōu)檎蜃兓?號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)為負(fù)向變化。由圖11可知，3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)橫向應(yīng)變?yōu)檎蜃兓?號(hào)和7號(hào)測(cè)點(diǎn)為負(fù)向變化。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，1號(hào)～4號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集方向與5號(hào)～7號(hào)測(cè)點(diǎn)相反，所以圖中兩者變化趨勢(shì)相反。但應(yīng)變始終隨載荷增大而增大，且試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果較為吻合。試驗(yàn)驗(yàn)證了所采用的加載方式在0.5 t橋式起重機(jī)上應(yīng)用的可靠性，同時(shí)驗(yàn)證了所采用的數(shù)值計(jì)算模型的有效性及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。另一方面，計(jì)算值與試驗(yàn)值之間還存在一定差異，分析認(rèn)為原因是這一級(jí)別橋式起重機(jī)受載較小，且應(yīng)變整體偏小，導(dǎo)致實(shí)測(cè)值與應(yīng)變計(jì)誤差無(wú)法進(jìn)行明確區(qū)分，試驗(yàn)值出現(xiàn)偏差。

▲圖9 測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片布置

▲圖10 測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變

▲圖11 測(cè)點(diǎn)橫向應(yīng)變

5 結(jié)論

基于ANSYS有限元分析軟件開(kāi)展橋式起重機(jī)載荷分析試驗(yàn)，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了筆者所述載荷加載方式的可行性和有效性，為下一步在大噸位起重機(jī)上試驗(yàn)應(yīng)用提供了參考。橋式起重機(jī)在載荷試驗(yàn)中，以自提升力代替重物載荷，門(mén)架受力變形程度在允許范圍內(nèi)，避免了重物吊裝帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)使用的抱箍裝置及頂桿還有待優(yōu)化，以保證加載過(guò)程的平穩(wěn)，為下一步在大噸位起重機(jī)上開(kāi)展載荷試驗(yàn)提供保障和便利。