某32/5t門(mén)式起重機(jī)剛性支腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

黃偉莉，范芳蕾，徐英帥，張克義，周重軍

（1.東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌330000；2.江西省通用技術(shù)工程學(xué)校，江西 九江 330306）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，起重機(jī)在實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械化、減輕個(gè)人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率等方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。門(mén)式起重機(jī)是橋架式起重機(jī)的一個(gè)重要分支，具有場(chǎng)地利用率高、適應(yīng)面廣、作業(yè)范圍大、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于港口、碼頭和貨場(chǎng)等室外工作場(chǎng)合。

門(mén)式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于門(mén)架形狀，其橋架主梁通過(guò)支腿支承在軌道上，兩條支腳可沿地面的大車(chē)軌道行走，主梁上的小車(chē)在主梁上行走，也可延伸到主梁外懸臂端以擴(kuò)大作業(yè)范圍。橋架金屬結(jié)構(gòu)由主梁、端梁、馬鞍、支腿、下橫梁以及小車(chē)架、司機(jī)室和走臺(tái)欄桿等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。沿門(mén)機(jī)跨度方向由主梁和支腿組成龍門(mén)架，沿大車(chē)運(yùn)行方向由同側(cè)支腿和上端梁、下橫梁組成支腿架，其中，支腿系統(tǒng)起著承載起重載荷和整機(jī)自重的作用，是門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的重要組成部分。對(duì)支腿系統(tǒng)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，是保證門(mén)式起重機(jī)具有良好使用性能的重要條件。本文采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和類(lèi)比法設(shè)計(jì)支腿系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)件，利用ANSYS軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力分析，并提出優(yōu)化設(shè)想。

圖1 門(mén)式起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 支腿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 門(mén)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

本文選用某企業(yè)32/5t-25m雙梁A型門(mén)式起重機(jī)為原型，主梁兩端懸臂外伸5.5 m，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 A型門(mén)式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

1.2 支腿的設(shè)計(jì)

支腿系統(tǒng)主要由剛性支腿、柔性支腿和下橫梁等組成。本門(mén)機(jī)跨度為25 m，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，采用雙剛性支腿結(jié)構(gòu)，在支腿平面采用A型結(jié)構(gòu)型式，其裝配結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。該門(mén)機(jī)支腿為箱型結(jié)構(gòu)，剛性支腿和主梁以及下橫梁均采用法蘭對(duì)接和螺栓連接，它們之間不存在位移。在門(mén)架平面，據(jù)其受力特點(diǎn)，為提高支腿與主梁連接剛性，可做成上寬下窄，上端連接寬度取與主梁高度相同，下端寬度與下橫梁寬度相同。對(duì)于帶馬鞍的門(mén)機(jī)，據(jù)受力特點(diǎn)，在支腿平面也制成上寬下窄[1]。

圖2 A型門(mén)機(jī)支腿裝配示意簡(jiǎn)圖

根據(jù)主梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示，B-B剖平面與支腿上端相連接，此處與主梁連接截面尺寸為2 480 mm*1 662 mm，同理，與下橫梁連接截面尺寸為916 mm*802 mm，支腿前、后腹板厚度10 mm，支腿平面支腿蓋板厚度8 mm，剛性支腿截面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 門(mén)機(jī)主梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 剛性支腿結(jié)構(gòu)及加勁板布置簡(jiǎn)圖

由于支腿是受壓和受彎構(gòu)件，為了防止支腿腹板和翼緣板發(fā)生波浪形變形，可在門(mén)架和支腿平面分別設(shè)置縱向加勁板，共有間距為300 mm的縱向加勁板45塊。為增強(qiáng)支腿的抗扭剛度[2]，需設(shè)置橫向加勁板6塊，其中，間距為1 370 mm的加勁板4塊、間距為1 042 mm和1 618 mm的加勁板各一塊，加勁板厚度6 mm，內(nèi)部加勁板、隔板等輔助結(jié)構(gòu)均焊接而成。

1.3 下橫梁

下橫梁是支腿的一個(gè)組成部分，用來(lái)連接固定兩支腿，加強(qiáng)整體的穩(wěn)定性。本門(mén)機(jī)下橫梁采用箱形結(jié)構(gòu)，用法蘭盤(pán)和支腿通過(guò)螺栓連接。

2 剛性支腿的ANSYS分析

本文以剛型支腿結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙完成剛性支腿的三維建模，將模型導(dǎo)入ANSYS創(chuàng)建幾何體進(jìn)行有限元分析，如圖5所示。

圖5 支腿系統(tǒng)生成實(shí)體

2.1 有限元模型的建立

支腿是由鋼板焊接而成的板結(jié)構(gòu)，在ANSYS單元庫(kù)里面，殼單元Shell 63可以很好地模擬薄板結(jié)構(gòu)，故支腿結(jié)構(gòu)選擇Shell 63單元模擬。另外，大車(chē)輪簡(jiǎn)化為有約束的支撐點(diǎn)，小車(chē)簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量力，以輪壓形式作用于主梁上。本文中門(mén)式起重機(jī)的剛性支腿整體結(jié)構(gòu)材料采用Q235B，模型搭建好以后，將其導(dǎo)入Workbench中定義其材料屬性，彈性模量E=2.06×105 MPa，材料的密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3.有限元模型建立完成后，利用網(wǎng)絡(luò)劃分工具來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，采用自動(dòng)網(wǎng)格生成網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 支腿網(wǎng)格圖

2.2 載荷組合及工況分析

起重機(jī)的載荷組合通常考慮三種組合[1]。針對(duì)本門(mén)機(jī)的計(jì)算類(lèi)別和要求，采用第II類(lèi)載荷組合進(jìn)行計(jì)算。即起重機(jī)起吊額定起重量，克服最大靜阻力，猛烈啟動(dòng)和制動(dòng)，受工作狀態(tài)下的最大風(fēng)壓作用，軌道或路面狀況不好，爬越最大坡度[1]。強(qiáng)度校核采用許用應(yīng)力法，即：

式中，σs為材料的屈服極限，n2為安全系數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受載荷組合 II時(shí)，n2=1.33[3]，支腿材料為Q235B，則許用應(yīng)力[σ]=235/1.33=178 MPa.

作用在門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)上的載荷有結(jié)構(gòu)自重載荷、小車(chē)自重載荷、起升載荷、慣性載荷、風(fēng)載荷、軌道對(duì)支腿產(chǎn)生的橫推力載荷[1]等。根據(jù)小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中位置的變化及小車(chē)所受風(fēng)載荷的不同，通常取小車(chē)在跨中和懸臂端兩個(gè)位置進(jìn)行分析，門(mén)機(jī)支腿強(qiáng)度計(jì)算可能的載荷組合見(jiàn)表2.

表2 門(mén)機(jī)載荷組合表

由于作用在起重機(jī)上的外載荷種類(lèi)繁多，工況復(fù)雜且變化大，因此，在門(mén)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時(shí)，通常選擇對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)破壞最大、最典型的載荷組合[4]。本文以小車(chē)滿載運(yùn)行至跨中時(shí)的最危險(xiǎn)工況2進(jìn)行分析，施加面載荷，如圖7所示。

圖7 施加面載荷

載荷為：

式中：PG為結(jié)構(gòu)自重載荷；PGX為小車(chē)自重載荷；PQ為起升載荷；PHD為大車(chē)制動(dòng)慣性載荷；PW1為工作狀態(tài)風(fēng)載荷；φ2為起升載荷動(dòng)載系數(shù)；φ4為運(yùn)行沖擊系數(shù)。

將對(duì)應(yīng)的計(jì)算載荷施加到有限元模型上，在求解器中添加形變和應(yīng)力求解項(xiàng)。經(jīng)Workbench靜力分析計(jì)算，得出小車(chē)滿載運(yùn)行至跨中時(shí)的危險(xiǎn)工況下該門(mén)式起重機(jī)支腿結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力值，其應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖中結(jié)果可以看出，支腿應(yīng)力分布較大的地方主要集中在支腿與下橫梁連接處，在支腿平面內(nèi)，支腿下端為危險(xiǎn)平面，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為173 MPa，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。作用于支腿上端應(yīng)力較小，有較大的應(yīng)力儲(chǔ)備，因此，在最危險(xiǎn)工況下，支腿強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)32/5t-25m門(mén)式起重機(jī)剛性支腿進(jìn)行有限元靜力分析，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)和相關(guān)規(guī)范對(duì)該門(mén)機(jī)支腿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)合門(mén)機(jī)實(shí)際作業(yè)工況，通過(guò)有限元分析軟件Workbench對(duì)支腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，得到等效應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，因此，該設(shè)計(jì)是可行的。

（2）在支腿上端應(yīng)力較小，有較大應(yīng)力儲(chǔ)備，可考慮與主梁連接處截面作一定優(yōu)化處理。

（3）應(yīng)用Workbench有限元分析方法能夠?qū)ζ鹬貦C(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，為起重機(jī)總體設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。