門式起重機金屬結構總成有限元分析

汪建偉

（瀘州老窖釀酒有限責任公司，四川 瀘州 646000）

門式起重機是貨物堆場、建筑工地、車間及碼頭等場合應用比較廣泛的一種貨物裝卸設備，目前這類起重設備正向大型化、高速高效化、高安全、高可靠性、節能、低故障率等方向發展。這對設備的力學特性與自身重量提出了較高的要求，自身重量直接影響了設備的制造與使用經濟性。

門式起重機金屬結構總成是整個設備的關鍵部件，是設備的骨架，支撐設備上的所有零部件及承受吊載貨物的重量，其重量約占整個設備重量的60%以上，主要由主梁、端梁、鞍梁、拉桿、支腿、下橫梁組成，這些部件均為力學性能良好的箱形結構，根據本類設備的受力特性與使用工況，內部還設置了若干加強隔板與筋板，確保力學性能優良，使用時安全可靠。所涉及的起重機為雙懸臂結構，一側懸臂為10m，另一側懸臂較長，達到了23m，在長懸臂側還設置了雙向拉桿，以增強長懸臂側主梁的受力性能。本結構特點的起重機金屬結構總成，若在設計時仍采用傳統的力學計算方法對各組成部件或整體進行強度、剛度及整體穩定性計算時，很難直觀地反映每個位置及整體結構的受力特點，特別是內部筋板位置，這樣就很難準確地把握本結構的力學特性與自重之間的關系，影響了設備的整體制造經濟性與使用經濟性，從而降低了市場競爭力。

而有限元分析方法就具有建模方便快捷、計算結果準確、直觀形象，使設計人員能準確直觀的查看出各位置的力學情況，提高了產品的安全性與設計效率的同時還便于產品的優化，從而降低了產品的生產與使用成本。

采用專業有限元分析軟件ANSYS對某型號門式起重機金屬結構總成進行整體結構強度與剛度分析，直觀形象地驗證本結構的設計合理性，找到優化方向，提升整個設備的經濟性和市場競爭力。

1 設備主要性能參數

額定起重量45t，雙主梁雙向拉桿結構、跨度30m，小車軌距16m，大車基距17m，起升高度12.5m，左懸臂長10m，右懸臂長23m，小車總成重49t，各部件材料為Q235B。

2 有限元模型

起重機金屬結構總成各部件均是由鋼板焊接而成的箱形梁結構，采用beam單元直接對各部件進行離散，為了避免計算正常與計算結果產生局部奇異，將部分不影響整體力學性能的小孔、筋板等特征去除。有限元模型如圖1所示。

圖 1

圖 2

圖 3

圖4

圖5

圖6

圖7

3 約束和載荷

施加的約束條件與設備實際工作時的工況載荷是否合理將直接影響計算結果的正確性與準確性。針對本設備的結構與受力特性，約束有拉桿前側主梁對應下橫梁端部與大車運行機構連接處的所有自由度，約束有拉桿后側主梁對應下橫梁端部與大車運行機構連接處的X、Z方向自由度，約束無拉桿前側主梁對應下橫梁端部與大車運行機構連接處的Y、Z方向自由度，約束無拉桿后側主梁對應下橫梁端部與大車運行機構連接處的Z方向自由度。按設計規范要求，將剛度與強度計算所需的載荷施加于主梁兩側懸臂端與主梁跨中位置。

4 計算結果

載荷位于無拉桿側強度應力云圖如圖2所示，載荷位于跨中強度應力云圖如圖3所示，載荷位于拉桿側強度應力云圖如圖4所示，載荷位于無拉桿側剛度應力云圖如圖5所示，載荷位于跨中剛度應力云圖如圖6所示，載荷位于拉桿側剛度應力云圖如圖7所示。

從計算結果中可以看出，無拉桿側、跨中、拉桿側最大應力為69.3MPa、68.6MPa、101MPa；無拉桿側、跨中、拉桿側最大位移為1.85mm、2.55mm、14.73mm。利用最大復合應力評價結構靜強度，取安全系數為1.33，材料Q235B的屈服極限為235MPa，許用應力σ為176.7MPa。最大靜撓度用來評價結構靜剛度，按設計規范無拉桿側、跨中、拉桿側允許位移為14.29mm、30mm、51.43mm。從上述結果可以看出本起重機的金屬結構總成滿足設計要求，具有較高的強度和剛度。

5 結語

綜上所述，本起重機的金屬結構總成具有較高的強度和剛度，存大較大強度與剛度富裕量，需對各組成部件進行一定優化（如減小主梁、端梁、鞍梁、拉桿、支腿等截面或板厚），在滿足設計要求與使用要求的前提下，降低生產成本與使用成本，提升設備的整體經濟性和市場競爭力。通過對本門式起重機金屬結構總成的力學特性分析，形象直觀地體現了其受力特點，找到了優化方向。