橋式起重機(jī)主梁的力學(xué)性能分析

黃永平

（廣東利元亨智能裝備股份有限公司，廣東惠州 516057）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)力的逐步提高，人們對(duì)于起重機(jī)的要求也不再僅僅是能搬運(yùn)，而是在工作效率、使用維護(hù)成本等各方面都有更為具體的要求。基于以上原因，起重機(jī)的生產(chǎn)商不僅需要能夠生產(chǎn)制造，還要能夠快速設(shè)計(jì)，并綜合協(xié)調(diào)成本、速度及安全等各方面的因素。起重機(jī)是一種能在一定范圍內(nèi)垂直起升和水平移動(dòng)物品的機(jī)械，動(dòng)作間歇性和作業(yè)循環(huán)性是起重機(jī)工作的特點(diǎn)[1]。起重機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)各部門都有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中占有重要地位。根據(jù)起重機(jī)自身結(jié)構(gòu)的不同，常見的起重機(jī)可以分為輪式起重機(jī)、履帶式起重機(jī)、塔式起重機(jī)、橋式起重機(jī)和門式起重機(jī)等。其中，橋式起重機(jī)是起重設(shè)備中使用范圍最廣、生產(chǎn)數(shù)量最多的起重機(jī)之一[2]，這也意味著對(duì)橋式起重機(jī)的性能、參數(shù)、穩(wěn)定性要求更高。因此，橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)需要有相應(yīng)的發(fā)展與創(chuàng)新。與傳統(tǒng)力學(xué)分析方法相比，有限元分析方法可以使得計(jì)算結(jié)果更精確，并且可對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析[3-4]。

1 橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)是反映起重機(jī)作業(yè)能力的重要指標(biāo)，是設(shè)計(jì)起重機(jī)最基本的要求和參考依據(jù)。起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)主要包括工作級(jí)別、額定起升重量、起升高度、起升速度、主梁跨度、小車軌距、小車運(yùn)行速度等，本文所討論的起重機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

橋式起重機(jī)橋架主要由主梁、端梁、欄桿、走臺(tái)、軌道和操作室等構(gòu)件組成。起重機(jī)主梁的主體是由上下翼緣板和左右腹板焊接而成的箱形梁，主梁內(nèi)部均勻設(shè)置了加勁板，加勁板在起重機(jī)工作時(shí)可以承受部分負(fù)載來維持箱體形狀，以滿足主梁的穩(wěn)定性要求。

由于橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)巨大且復(fù)雜，在實(shí)際工作過程中承受的載荷較大，所以若考慮所有的影響條件，將會(huì)使得該起重機(jī)有限元分析比較困難。因此，主梁模型簡化正確與否、合理與否直接關(guān)系到有限元計(jì)算結(jié)果[4]。

起重機(jī)主梁的結(jié)構(gòu)圖、截面圖及各尺寸參數(shù)分別如圖1、圖2及表2所示。在起重機(jī)工作時(shí)，主梁是最重要的受力部件之一，此外，起重機(jī)主梁體積大、重量大、優(yōu)化空間大，因此本文以起重機(jī)主梁為研究對(duì)象，進(jìn)行靜力學(xué)分析。

表2 主梁尺寸

圖1 主梁結(jié)構(gòu)圖

圖2 主梁截面圖

2 橋式起重機(jī)主梁靜力學(xué)分析

2.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

由于主梁結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，故需要從以下三個(gè)方面來對(duì)其進(jìn)行簡化：

（1）主梁上的一些諸如螺栓、螺母、螺釘、掛鉤等起裝飾、連接作用或非承載構(gòu)件等忽略掉，它們對(duì)安全性的影響相對(duì)較小，簡化這些構(gòu)件能使模型更加清晰直觀，同時(shí)方便網(wǎng)格劃分和受力分析。

（2）忽略螺栓孔、螺釘孔以及鉚接孔等，它們并不能對(duì)主梁受力情況產(chǎn)生影響，反而會(huì)影響到網(wǎng)格劃分，使有限元網(wǎng)格變得更為復(fù)雜，甚至還會(huì)影響軟件計(jì)算分析，使分析結(jié)果出現(xiàn)誤差。

（3）忽略掉內(nèi)部加強(qiáng)筋板。雖然主梁的筋板能夠起到承受載荷、保持主梁箱體的形狀不變的作用，但在本文對(duì)主梁的優(yōu)化研究中，其對(duì)于主梁影響比較有限，故在建立三維模型時(shí)可以將其忽略。

簡化后的模型如圖3所示。

圖3 簡化后的模型

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，劃分網(wǎng)格的方式將直接影響計(jì)算速度和結(jié)果精度。網(wǎng)格劃分成功后，得到有限元節(jié)點(diǎn)Nodes總數(shù)92 314個(gè)，單元Elements總數(shù)14 842個(gè)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 材料屬性

橋式起重機(jī)主梁為鋼材，材質(zhì)為Q235，含碳量為0.14%～0.22%，屬低碳鋼。Q235的屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量E=2×102GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3。

2.3 約束條件施加

在橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，起重機(jī)主梁是典型的關(guān)鍵承力件，當(dāng)起重機(jī)實(shí)際工作時(shí)，主梁的兩端是固定在端梁上的，然后通過小車及吊具將物體提升至需要的位置，所以在施加約束時(shí)，選擇對(duì)主梁兩端施加全約束，即主梁兩端面固定不動(dòng)；將主梁自重、移動(dòng)載荷以集中力形式施加在主梁的跨中處，為方便施加載荷，在主梁跨中處添加一個(gè)印記面。在完成載荷與約束的施加后，分別計(jì)算主梁的等效應(yīng)力和等效位移。

對(duì)起重機(jī)主梁施加的載荷與約束如圖5所示，對(duì)主梁兩端施加固定約束（Fixed Support），對(duì)主梁施加自重載荷和起升載荷（self-weight load and upload load）。

圖5 起重機(jī)主梁載荷與約束

2.4 結(jié)果分析

通過對(duì)起重機(jī)主梁進(jìn)行靜力學(xué)分析求解運(yùn)算可得，在極限工況下，起重機(jī)主梁的最大應(yīng)力為144.19 MPa，位于下滑桿孔兩側(cè)的表面上，如圖6所示，梁跨中處最大等效位移為2.967 4 mm，如圖7所示。由圖6和圖7分析可知，基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的起重機(jī)主梁強(qiáng)度與剛度均足夠，能夠滿足橋式起重機(jī)的實(shí)際工作需求，但起重機(jī)主梁有很大部分所受應(yīng)力及變形都比較小，材料冗余量較大，存在很大的優(yōu)化空間。

圖6 主梁等效應(yīng)力云圖

圖7 主梁總變形云圖

3 結(jié)論

（1）無論是在正常情況下，還是在危險(xiǎn)情況下，橋式起重機(jī)的主梁跨中位置都存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，是探傷檢測(cè)的重要部位，也是橋式起重機(jī)薄弱部位。

（2）在危險(xiǎn)工況下，主梁上下翼緣板的兩端及跨中處所受應(yīng)力相對(duì)較大，主梁上下翼緣板在起重機(jī)運(yùn)行過程中是主要的承重部位，其對(duì)主梁性能的影響更加明顯。

（3）基于有限元分析方法對(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析，可以在產(chǎn)品研發(fā)出來之前對(duì)主梁的應(yīng)力和變形有一個(gè)大致的了解，同時(shí)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，因而具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。