門式起重機抗震分析

武世靖

（太原重型機械集團有限公司， 山西 太原 030024）

引言

本文對某60 t 門式起重機進行分析，該門機用于將設(shè)備在兩個工位之間進行轉(zhuǎn)運。為精確地了解該門機在技術(shù)規(guī)格書中要求的地震設(shè)防烈度為7 度時的抗震性能，確保設(shè)備的安全與穩(wěn)定，參照GB/T 3811《起重機設(shè)計規(guī)范》[1]、ASME《橋式和門式起重機制造標(biāo)準(zhǔn)》[2]，采用反應(yīng)譜法[3]，應(yīng)用有限元分析程序?qū)?0 t 門機進行地震載荷下多種工況組合的動態(tài)反應(yīng)分析。

1 力學(xué)模型的建立

本次分析計算的60 t 門機主要包括橋架、小車、大車運行機構(gòu)、起升機構(gòu)等。橋架及小車采用剛性框架焊接結(jié)構(gòu)。

在建立力學(xué)模型時，選用三維梁單元BEAM188、質(zhì)量單元MASS21 和模擬繩索的單元LINK180 作為基本單元，根據(jù)結(jié)構(gòu)實際位置、截面特性及重量分布情況建立有限元模型如圖1、圖2 所示。起吊位置為標(biāo)高17 m 處。模型中X方向為60 t門機主梁長度方向，Y方向為大車運行軌道方向，Z方向為豎直方向。

圖1 60 t 門機抗震分析有限元模型（不顯示梁截面）

圖2 60 t 門機抗震分析有限元模型（顯示梁截面）

根據(jù)實際工況，60 t 門機大車與軌道間的連接采用簡支（即圖1 中車輪1 處約束其X、Y、Z三個方向的位移自由度，車輪2 處約束其X、Z兩個方向的位移自由度，車輪3 處約束Z向位移自由度，車輪4 處約束其Y、Z兩個方向的位移自由度）。模擬起升鋼絲繩的LINK180 單元參數(shù)設(shè)定為只承受拉力，不能承受壓力。

該門機門架選用材料為Q345D。彈性模量E 均為210 GPa，泊松系數(shù)為0.3，密度均為7.85×103kg/m3。鋼材的屈服極限σs及強度極限σb如表1 所示。按照該門機技術(shù)規(guī)格書及GB/T 3811 中對結(jié)構(gòu)件材料許用應(yīng)力的要求，門架各構(gòu)件在設(shè)防地震工況下的應(yīng)力應(yīng)小于216 MPa。

表1 鋼材的力學(xué)特性 MPa

根據(jù)該門機技術(shù)規(guī)格書中的抗震要求，采用反應(yīng)譜法，對其進行自重及設(shè)防地震載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。計算得到門架各部件的應(yīng)力、位移、輪壓等結(jié)果。選取門機結(jié)構(gòu)前100 階固有頻率和振型進行計算，以確保譜分析中結(jié)構(gòu)的各階總模態(tài)參與質(zhì)量系數(shù)達到90%以上。其中反應(yīng)譜分析時的各階模態(tài)組合方式為CQC 方法，即完全二次項組合法，其考慮了振型阻尼引起的鄰近振型間的耦合效應(yīng)，在抗震設(shè)計規(guī)范中被廣泛使用。

參照GB/T 3811 和ASME《橋式和門式起重機制造標(biāo)準(zhǔn)》，在設(shè)防地震（SSE）載荷下，按空載和臨界載荷（60 t）進行載荷工況組合。建立載荷工況組合表如表2 所示。表中，PG代表門機自重，約87 t；PQ代表吊重臨界載荷（60 t）；PSSE為設(shè)防地震載荷，即X、Y、Z三個方向的地震加速度。

表2 60 t 門機載荷工況表

2 地震響應(yīng)計算結(jié)果

60 t 門機主要部件在7 度設(shè)防地震（SSE）多種工況下最大位移值見表3。由計算數(shù)據(jù)可知，在7 度設(shè)防地震（SSE）多種工況下，門機主梁最大位移響應(yīng)為19.12 mm，端梁最大位移響應(yīng)為17.91 mm，門腿最大位移響應(yīng)為23.71 mm，下橫梁最大位移響應(yīng)為24.45 mm。

表3 地震載荷工況下60 t 門機各主要部件最大位移響應(yīng)值

60 t 門機主要部件在7 度設(shè)防地震（SSE）多種工況下的最大應(yīng)力響應(yīng)列于表4。

由計算結(jié)果可知，在7 度設(shè)防地震（SSE）載荷工況下，門機主梁最大應(yīng)力響應(yīng)為56.57 MPa，端梁最大應(yīng)力響應(yīng)為10.03 MPa，門腿最大應(yīng)力響應(yīng)為61.13 MPa，下橫梁最大應(yīng)力響應(yīng)為16.08 MPa。依據(jù)表1 中材料參數(shù)可知，60 t 門機在地震工況下各主要部件最大應(yīng)力均滿足要求。

表4 60 t 門機主要部件最大應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果匯總表 MPa

60 t 門機在7 度設(shè)防地震（SSE）多種工況組合下的最大車輪力響應(yīng)列于表5。

由計算結(jié)果可知，在7 度設(shè)防地震（SSE）工況下，60 t 門機大車車輪最大垂直車輪力為465.24 kN，大車水平X向最大車輪力為34.09 kN，大車水平Y(jié)向最大車輪力為73.29 kN。

表5 60 t 門機地震工況下大車車輪力結(jié)果匯總表 kN

應(yīng)用上拋力計算公式F=FDZ-FJZ所求得的起重機車輪上拋力F匯總于表6。由計算結(jié)果可知，在7度設(shè)防地震（SSE）載荷作用下，門機大車車輪最大上拋力為-122.48 kN，即無上拋情況發(fā)生。

3 結(jié)論

表6 60 t 門機SSE 工況下，大車車輪上拋力匯總表 kN

對60 t 門機在7 度設(shè)防地震載荷作用下，按空載和臨界載荷（60 t）進行載荷工況組合，分別進行地震反應(yīng)譜分析，由分析結(jié)果可知：

1）門機主梁最大位移響應(yīng)為19.12 mm，端梁最大位移響應(yīng)為17.91 mm，門腿最大位移響應(yīng)為23.71 mm，下橫梁最大位移響應(yīng)為24.45 mm。

2）門機主梁最大應(yīng)力響應(yīng)為56.57 MPa，端梁最大應(yīng)力響應(yīng)為10.03 MPa，門腿最大應(yīng)力響應(yīng)為61.13 MPa，下橫梁最大應(yīng)力響應(yīng)為16.08 MPa。依據(jù)表1 中材料參數(shù)及應(yīng)力限值可知，60 t 門機在地震工況下各主要部件最大應(yīng)力均滿足要求。

3）門機大車車輪最大垂直車輪力為465.24 kN，大車水平X向最大車輪力為34.09 kN，大車水平Y(jié) 向最大車輪力為73.29 kN。車輪力數(shù)據(jù)可作為進一步分析校核大車車輪及軌道強度的參考依據(jù)。

4）門機大車車輪最大上拋力為-122.48 kN，即無上拋情況發(fā)生。

通過本文分析可知，此門機在地震載荷作用下，強度剛度均滿足設(shè)計規(guī)范及技術(shù)規(guī)格書的要求且不會發(fā)生上拋現(xiàn)象。