橋式起重機門架結構載荷試驗研究*

□ 房書繼 □ 孫海燕 □ 陸衛(wèi)軍 □ 廖曉玲 □ 陳笑健

1.杭州市特種設備檢測研究院 杭州 310051

2.杭州市富陽區(qū)食品安全檢驗檢測中心 杭州 311400

1 研究背景

橋式起重機是一種應用廣泛、市場保有量較大的起重機械，一般由橫梁結構、大小車運行機構、鋼絲繩、電葫蘆等組成。運行時，橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道來回運行，橋架下空間可充分用于物料吊裝，不受地面設備阻礙。復雜的工況使起重運輸機械在安裝、改造、重大維修之后都需要進行監(jiān)督檢驗，根據(jù)國家質檢總局發(fā)布的《起重機械監(jiān)督檢驗規(guī)程》要求，載荷試驗是其中的重要環(huán)節(jié)。需開展載荷試驗的起重機械多位于新廠房內，現(xiàn)場測試環(huán)境無法滿足需求。老廠區(qū)起重機械又多限于空間等因素，試驗困難。同時，橋式起重機械開展吊裝重物載荷試驗費時費力，對企業(yè)生產運行影響較大。

起重運輸機械運行環(huán)境復雜，其自身結構存在較大的挑戰(zhàn)。目前針對起重運輸機械開展載荷試驗研究的學者不在少數(shù)［1-3］，熊剛等［4］對起重運輸機械箱型梁結構開展有限元分析與仿真，袁康等［5］對起重機械結構開展三維結構模型分析。也有學者基于起重運輸機械疲勞壽命開展分析研究［6-8］，或是對具有起重功能的機械裝置開展載荷分析［9-10］，但針對橋式起重機載荷試驗開展仿真分析、試驗研究的還不多見。為滿足企業(yè)運行需求及檢驗檢測工作需要，筆者基于ANSYS有限元分析軟件及現(xiàn)場試驗，提出一種橋式起重機吊裝載荷試驗方法，以起重機自身提升力代替砝碼等重物吊裝，實現(xiàn)高效、快速檢測。以某0.5 t級橋式起重機為研究對象，將試驗結果與分析數(shù)據(jù)做比對，驗證這一加載方式的可行性，為應用于更大噸位橋式起重機提供參考。

2 橋式起重機門架結構模型

▲圖1 橋式起重機門架建模

基于ANSYS有限元分析軟件，以某橋式起重機為研究對象進行實體建模分析。橋式起重機屬于箱梁式結構，擬采用高精度三維實體單元Solid185對主梁縱向加筋肋及小車軌道進行建模，單元數(shù)為158 287，Solid單元為無轉動自由度。依據(jù)起重機械材料Q235碳素結構鋼特性，彈性模量為206 GPa，抗拉強度為470 MPa，泊松比為0.3。位移邊界為兩端立柱底面固定支撐。門架建模如圖1所示，主要包括兩側支承立柱、梁架及立柱底端縱向加筋肋等，建模時所有構件均采用實際厚度。

以0.5 t級橋式起重機受力情況為例，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在額定載荷與最大試驗載荷之間的力學響應。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間延長變化較小；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 門架整體結構變形

基于仿真模型設計及載荷施加歷程，對門架整體結構變形進行分析，分別設計0.5 t、20 t、50 t級橋式起重機門架模型，模擬不同級別的受力情況。圖3所示為0.5 t級橋式起重機分別在載荷5 kN和6.13 kN時的門架總體變形情況，圖4所示為20 t級橋式起重機分別在載荷49 kN和245 kN時的門架總體變形情況，圖5所示為50 t級橋式起重機分別在載荷122.5 kN和612.5 kN時的門架總體變形情況。觀察圖3～圖5發(fā)現(xiàn)，立柱在整個受力過程中總體變形較小，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級橋式起重機為例，依據(jù)TSG Q7016—2016《起重機械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗規(guī)則》規(guī)定，計算最大允許撓度為10 mm。由圖3仿真結果可知，門架變形程度，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同理也符合要求。

4 載荷試驗

4.1 試驗方案

基于上述仿真分析，為進一步驗證有限元數(shù)值仿真結果的準確性，確保這一加載方式的安全性，以某0.5 t級橋式起重機為研究對象，開展現(xiàn)場試驗。在門架左右立柱根部區(qū)域加裝抱箍，用于連接鏈條，起重機加載時提升鏈條中部，試驗中最大載荷約6.9 kN。

在試驗過程中，立柱根部承受彎矩與剪切力，抱箍區(qū)域應力相對較大，所以在抱箍區(qū)域布置應變片采集數(shù)據(jù)。具體試驗方案及測點位置如圖6所示，各測點距地面高度見表1。每根立柱上布置7個測點，共計14個測點，其中2號和9號測點均為三向應變計，其余測點均為雙向應變計。

▲圖3 0.5 t級橋式起重機門架總體變形

▲圖4 20 t級橋式起重機門架總體變形

在現(xiàn)場試驗中，設計抱箍裝置及頂桿，以實現(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。抱箍設計時主要考慮高強度螺栓的預緊力及螺栓的強度，頂桿結構相對簡單，此處不再詳述。

▲圖5 50 t級橋式起重機門架總體變形

▲圖6 試驗方案與測點位置

▲圖7 抱箍

4.2 試驗過程

在試驗過程中，由于橋式起重機的拉伸力無法嚴格按設定的載荷步加載，因此實際加載步驟見表2。基于大噸位起重機試驗的安全需要， 第 4、5、6次試驗在兩根立柱之間加裝頂桿，以防剪切應力過大或變形。無頂桿和有頂桿兩種試驗現(xiàn)場如圖8所示。

在試驗中，應變計1號～7號測點的具體布置如圖9所示，8號～14號測點布置與1號～7號測點類似。

表1 測點距地面高度

表2 試驗加載步驟

▲圖8 試驗現(xiàn)場

4.3 結果分析

依據(jù)上述仿真計算、試驗設計及材料力學分析，以1號～7號測點為例進行數(shù)據(jù)采集。分析比對測點軸向及橫向應變數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結果，圖10所示為2號、3號、5號、6號測點軸向應變情況，圖11所示為3號、4號、6號、7號測點橫向應變情況。

由圖10可知，2號和3號測點軸向應變?yōu)檎蜃兓?號和6號測點為負向變化。由圖11可知，3號和4號測點橫向應變?yōu)檎蜃兓?號和7號測點為負向變化。現(xiàn)場試驗中，1號～4號測點數(shù)據(jù)采集方向與5號～7號測點相反，所以圖中兩者變化趨勢相反。但應變始終隨載荷增大而增大，且試驗結果與數(shù)值計算結果較為吻合。試驗驗證了所采用的加載方式在0.5 t橋式起重機上應用的可靠性，同時驗證了所采用的數(shù)值計算模型的有效性及計算結果的準確性。另一方面，計算值與試驗值之間還存在一定差異，分析認為原因是這一級別橋式起重機受載較小，且應變整體偏小，導致實測值與應變計誤差無法進行明確區(qū)分，試驗值出現(xiàn)偏差。

▲圖9 測點應變片布置

▲圖10 測點軸向應變

▲圖11 測點橫向應變

5 結論

基于ANSYS有限元分析軟件開展橋式起重機載荷分析試驗，仿真數(shù)據(jù)與試驗結果一致，驗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上試驗應用提供了參考。橋式起重機在載荷試驗中，以自提升力代替重物載荷，門架受力變形程度在允許范圍內，避免了重物吊裝帶來的潛在危險。

在現(xiàn)場試驗時使用的抱箍裝置及頂桿還有待優(yōu)化，以保證加載過程的平穩(wěn)，為下一步在大噸位起重機上開展載荷試驗提供保障和便利。