王彤曼 賈文華 張在梅 殷晨波

（1.三一重機 江蘇 昆山 215300；2.南京工程學(xué)院機械學(xué)院 江蘇 南京 211167；3.南京工業(yè)大學(xué)車輛與工程機械研究所 江蘇 南京 210009）

門式起重機（以下簡稱門機）是一個橋架形承載結(jié)構(gòu)的起重機[1]，可用于搬運貨物、裝卸及安裝建筑構(gòu)件等，尤其能在鐵路及港口貨場的裝卸中發(fā)揮重要作用。而門機在提高工作效率、節(jié)省人力的同時，也存在著巨大的安全隱患，尋求一種在能評估門式起重機安全運行的方法勢在必行[2，5]。振動不但可能會造成門機結(jié)構(gòu)破壞，當(dāng)所受激振力的頻率與結(jié)構(gòu)的的某一固有頻率相接近時，會引起共振[3，4]，造成結(jié)構(gòu)強度的破壞及產(chǎn)生不允許的大變形，破壞整機的性能。

1 門機有限元模型的建立

1.1 門機基本參數(shù)

雙梁式門機由主梁、柔性支腿、剛性支腿、大車、上小車、下小車、操縱室等構(gòu)成，如圖1所示，選用的門機參數(shù)如下所述。

門機相關(guān)基本參數(shù)：主梁跨度48.124m，起升高度42m，上小車軌距6.33m，下小車軌距2.6m；上小車自重9.9t，最大起重量200t，起升速度5 m/min；下小車自重5.5t，主起升機構(gòu)最大起重量150t，起升速度5 m/min，副起升機構(gòu)起重量10t，起升速度12.2 m/min；大車運行速度：30m/min，大車軌距43米；門機主要材料為Q345B，楊氏模量為 2.06×1011，密度為7850kg/m3，泊松比為 0.3。

1.2 模型的單元組成

門機的剛性支腿、主梁結(jié)構(gòu)是由薄板焊接成的箱體梁，柔性支腿是由鋼板焊接而成的圓管。為使原模型真實，計算模型單元選擇如下：門架結(jié)構(gòu)選用空間板單元shell63，小車等附件在模型的相應(yīng)節(jié)點處設(shè)置質(zhì)單元。建立的有限元模型如圖2所示。

圖1 門式起重機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The Sketch Map of The Gantry Crane

圖2 有限元模型Fig.2 The Finite Element Model

2 門機的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

作用在門式起重機上的外載荷種類多，工況較復(fù)雜，計算分析時只考慮與門式起重機結(jié)構(gòu)破壞形式有關(guān)的典型工況，就能確定結(jié)構(gòu)強度與剛度是否滿足要求，從而進一步改進設(shè)計。根據(jù)該門機設(shè)計要求（兩小車同時工作時，最大抬吊重量300t，上下小車相距至少12米）考慮最危險的四種工況：①上小車位于主梁柔性支腿側(cè)，下小車距上小車12m；②上小車位于主梁跨中，下小車偏向柔性支腿處，距上小車12m；③上小車位于主梁剛性支腿側(cè)，下小車距上小車12m；④上小車位于主梁跨中，下小車偏向剛性支腿處，距上小車12m。

表1 門式起重機靜態(tài)有限元計算結(jié)果Tab.1 Static Calculation Results in ANSYS of Gantry Crane

按第Ⅱ類載荷組合進行結(jié)構(gòu)強度計算[5]，對建立的有限元模型進行加載求解，利用Von Mises屈服準(zhǔn)則評判結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，各工況下最大應(yīng)力值及最大位移如表1所示，應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 各工況應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud Picture of Stress

按第Ⅱ類載荷組合計算強度時的安全系數(shù)均取1.34，故結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為從各危險工況來看，工況二的應(yīng)力及位移最大，最大計算應(yīng)力為147.64MPa，位移為33.142mm，結(jié)構(gòu)強度還有較大的余量，結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全的。

通過觀察等效應(yīng)力云圖可以看出，應(yīng)力變化較平緩，主梁應(yīng)力最大處為跨中上側(cè)，剛性支腿應(yīng)力最大處位于支腿內(nèi)側(cè)，柔性支腿應(yīng)力最大處出現(xiàn)在與主梁相接處的內(nèi)側(cè)，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。因此，結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理的。

起重機設(shè)計規(guī)范中規(guī)定垂直靜位移的設(shè)計準(zhǔn)則為：yL≤[yL]。式中，[yL]為許用跨中垂直靜繞度；yL為跨中垂直靜繞度；L為跨度；[yL]=L/800。 該門式起重機 [yL]=48.124/800=0.0602m。計算UZmax=33.142mm，小于[yL]。門式起重機小車位于跨中時，靜態(tài)剛度滿足要求。

3 結(jié)論

介紹了造船門式起重機整機的有限元模型的建立、結(jié)構(gòu)的合理性簡化、加載及求解過程，并在四種危險工況下對門機進行了靜力學(xué)分析，得出了靜態(tài)分析的等效應(yīng)力及位移的云圖。在靜力學(xué)分析中，應(yīng)力變化較平緩，主梁應(yīng)力最大處為跨中上側(cè)，剛性支腿應(yīng)力最大處位于支腿內(nèi)側(cè)，柔性支腿應(yīng)力最大處出現(xiàn)在與主梁相接處的內(nèi)側(cè)，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。通過與起重機設(shè)計規(guī)范相比較，該門式起重機的強度及靜剛度均滿足設(shè)計規(guī)范的要求。

［1］張偉強.門式起重機模塊化快速設(shè)計系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].機械設(shè)計及制造,2010(3)：188-189.

［2］許海翔,李鳴.基于虛擬樣機的門式起重機安全分析[J].起重運輸機械,2010(7)：40-44.

［3］Jia-Jang Wu,M.P.Cartmell,A.R.Whittaker.Prediction of the vibration characteristics of a full-size structure from those of a scale model[J].Computers&Structures,2002(80)：1461-1472.

［4］陸念力,張宏生.有限元分析中鋼絲繩滑輪單元的等效構(gòu)件法[J].建筑機械,2005(11)：89-91.

［5］Sun Z,Yang H.Development of a finite element simulation system forthe tube axialcompressive precision forming processed[J].International Journal of Machine Tools Manufacture,2002,28(7)：1205-1210.