葛俊禮，龍志成，尹 輝，郭勤先，胡小佳，劉達(dá)味，黃自松

(1.河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司 河北 秦皇島 066000；2.新疆德勤互力工業(yè)技術(shù)有限公司，新疆 烏魯木齊 830022)

32/10 t-15 m門式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

葛俊禮1，龍志成2，尹 輝1，郭勤先1，胡小佳1，劉達(dá)味1，黃自松1

(1.河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司 河北 秦皇島 066000；2.新疆德勤互力工業(yè)技術(shù)有限公司，新疆 烏魯木齊 830022)

對(duì)32/10 t-15 m門式起重機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并建立三維模型?；陟o態(tài)設(shè)計(jì)-動(dòng)態(tài)補(bǔ)償計(jì)算方法應(yīng)用Workbench有限元分析軟件，對(duì)兩種危險(xiǎn)工況下的起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得到各部分應(yīng)力云圖和變形云圖，對(duì)該起重機(jī)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)提供了可靠依據(jù)。

門式起重機(jī)；有限元；穩(wěn)定性；應(yīng)力；變形；

0 前言

門式起重機(jī)是一種重要的起重機(jī)械， 在多種行業(yè)中都有比較廣泛的應(yīng)用。作為一種大型承重機(jī)械，在施工中對(duì)其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度有著非常高的要求， 因此對(duì)門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的分析很有必要。針對(duì)國(guó)內(nèi)某港務(wù)有限公司抓斗維修用門式起重機(jī)，其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了港口起重機(jī)常用的靜態(tài)設(shè)計(jì)——?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法。能滿足該設(shè)備的廠區(qū)內(nèi)抓斗維修和進(jìn)行開閉斗試驗(yàn)功能，保證了使用過程中設(shè)備滿足強(qiáng)度、靜剛度的要求。

1 起重機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

該門式起重機(jī)配有主、副兩套起升機(jī)構(gòu)，采用箱梁結(jié)構(gòu)形式，支腿與主梁之間為剛性連接，行走機(jī)構(gòu)與下橫梁之間通過柔性鉸連接，左側(cè)支腿有司機(jī)室。其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

32 t -15 m門式起重機(jī)主梁總跨度15 m,主梁底高15 m，基距8.5 m，共8個(gè)行走輪，每側(cè)4個(gè)，每2個(gè)一組(輪中心相距700 mm)。維修抓斗規(guī)格：72 t抓斗、64 t抓斗、40 t抓斗。72 t抓斗的自重為24 t(不含開閉鋼絲繩)，開閉實(shí)驗(yàn)最大起重量小于10 t，抓斗打開時(shí)最大高度7.339 m。，最大寬度5.898 m?；驹O(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 門式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖

主鉤副鉤起吊重量/t3210跨度/m1515最大起升高度/m1412起升速度/m·min-10.5～5(變頻)7運(yùn)轉(zhuǎn)速度/m·min-11.5～1520起重機(jī)最大寬度/m11起重機(jī)材料Q345B

2 整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)GB/T3811-2008，對(duì)于無懸臂梁的龍門起重機(jī)，僅需驗(yàn)算橫向(大車運(yùn)行)的非工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。非工作狀態(tài)的起重機(jī)受沿大車軌道方向的暴風(fēng)侵襲。其抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算式為

∑M=0.475(G1+G2)B-1.15F1h1≥0

(1)

式中，G1、G2為橋架和小車重力，分別為600 kN和48 kN，橋架重力包括除小車重力和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)重力以外的所有整機(jī)的重力；B為大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)二臺(tái)車與下橫梁鉸接孔中心距，B=8.5 m；F1為橫向作用于橋架及小車上的風(fēng)力(按非工作狀態(tài)風(fēng)壓計(jì)算)；h1為橋架與小車橫向擋風(fēng)面積自支腿鉸接點(diǎn)量起的形心高度,h1=12.4 m。起重機(jī)非工作狀態(tài)下的最大計(jì)算風(fēng)載為

(2)

式中，C1為主梁和支腿風(fēng)力系數(shù)1.55；C2為其余結(jié)構(gòu)風(fēng)力系數(shù)1.2；Φ為擋風(fēng)折減系數(shù)，取0.1；A1為主梁和支腿的迎風(fēng)面積52 m2；A2為其余結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積28 m2；q為非工作狀態(tài)下的最大計(jì)算風(fēng)壓，q=800 N/m2；

抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算為

∑M=970 510 N·m>0

(3)

所以該工況抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

3 主體結(jié)構(gòu)靜力分析

3.1 建立計(jì)算模型并劃分網(wǎng)格

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，應(yīng)用Solidworks建模軟件建立32/10 t-15 m門式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)分析模型。建模時(shí)力求精確，以避免模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。導(dǎo)入Workbench中的靜結(jié)構(gòu)分析模塊并劃分網(wǎng)格， 本吊機(jī)門架結(jié)構(gòu)有限元模型共離散為62 952個(gè)單元，293 568個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 起重機(jī)網(wǎng)格圖

3.2 載荷組合

針對(duì)該起重機(jī)的計(jì)算類別和要求，采用第Ⅱ類載荷組合進(jìn)行計(jì)算。即起重機(jī)起吊額定起重量的物品，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。本文強(qiáng)度校核采用許用應(yīng)力法，即彈塑性材料許用應(yīng)力為

(4)

式中，σs為材料的屈服極限[1]；ns為安全系數(shù)。在結(jié)構(gòu)受載荷組合Ⅱ時(shí)，安全系數(shù)取1.33，小車材料為Q345，則許用應(yīng)力為259MPa。

進(jìn)行靜力分析時(shí)，通常選取在實(shí)際工作中可能面臨的最不利的工況，通過分析各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形，檢驗(yàn)其在各種工況下的強(qiáng)度與剛度是否滿足要求。由此，對(duì)于該起重機(jī)，選取主、副兩套起升機(jī)構(gòu)位于跨中滿載和主、副兩套起升機(jī)構(gòu)位于主梁左極限滿載兩種工況，分析門架結(jié)構(gòu)所受的載荷。

天車位于跨中滿載工況為工況1，受到的載荷為：門架結(jié)構(gòu)(含司機(jī)室、梯子欄桿)自重，主副兩套起升機(jī)構(gòu)、吊具、載重量以及風(fēng)載荷。主副兩套起升機(jī)構(gòu)、吊具及其載重量施加在跨中主梁最中間位置。司機(jī)室及司機(jī)室平臺(tái)重量施加在門架左側(cè)支腿上，梯子欄桿重量均布添加到主梁上表面。主副兩套起升機(jī)構(gòu)位于主梁左極限滿載工況時(shí)為工況2，此時(shí)龍門吊受到的載荷為：主副兩套起升機(jī)構(gòu)、吊具及其載重量施加在跨中主梁最左側(cè)位置，其余載荷與工況1相同[2-3]。

由于門式起重機(jī)工作受力的特點(diǎn),計(jì)算時(shí)只需對(duì)起重機(jī)的行走鉸點(diǎn)軸面施加全約束。部分計(jì)算載荷見表2。

表2 計(jì)算載荷表

3.3 門式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)靜力分析及有限元計(jì)算結(jié)果分析

圖3 工況1等效應(yīng)力分布云圖

圖4 工況1等效變形分布云圖

圖5 工況2等效應(yīng)力分布云圖

圖6 工況2等效變形分布云圖

將對(duì)應(yīng)計(jì)算載荷施加到有限元模型上進(jìn)行求解，經(jīng)Workbench靜力分析計(jì)算，得出兩種危險(xiǎn)工況下，該門式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力值及變形值如圖3～圖6所示。計(jì)算結(jié)果中的等效應(yīng)力為第四強(qiáng)度理論—形狀改變比能理論所得應(yīng)力值。根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于使用較頻繁的龍門吊，其工作級(jí)別為A6，對(duì)A6級(jí)起重機(jī)，主梁垂直靜撓度f與主梁跨度L的關(guān)系[4，5]為

f≤L/800

(5)

式中，L為跨度，15m。由式(5)可知，此時(shí)主梁允許垂直靜撓度不得大于18.75mm。

從圖3可以看出，工況1時(shí)吊機(jī)在運(yùn)行時(shí)，除去應(yīng)力奇點(diǎn)，整體等效應(yīng)力不超過30MPa，主梁受最大等效應(yīng)力為25MPa，發(fā)生在有副起升機(jī)構(gòu)主梁中間內(nèi)側(cè)部位，小于許用應(yīng)力259MPa，因此工況1情況下，門架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。從圖4 可以看出，結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在兩個(gè)上端梁上，變形量為3.3mm，小于容許撓度18.75mm，故此工況1時(shí)門架剛度滿足要求。同樣，分析工況2計(jì)算結(jié)果：從圖5 可以看出，在工況2時(shí)，門架結(jié)構(gòu)除去應(yīng)力奇點(diǎn)，整體等效應(yīng)力不超過30MPa，主梁最大受等效應(yīng)力為23MPa，發(fā)生在有副起升機(jī)構(gòu)主梁左內(nèi)側(cè)部位，小于許用應(yīng)力。由圖6 可知，結(jié)構(gòu)最大變形量為2.4mm，發(fā)生在主梁中部偏左位置，小于容許撓度。因此工況2情況下門架強(qiáng)度和剛度也均滿足要求。

4 結(jié)語

(1)對(duì)32/10t-15m門式起重機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并通過有限元分析軟件Workbench對(duì)兩種工況下龍門吊受力狀況進(jìn)行計(jì)算，得到各部分受力云圖和變形圖，兩種工況下最大等效應(yīng)力分別為25MPa和23MPa，兩種工況下最大等效變形分別為3.3mm和2.4mm，參照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中，得出最大等效應(yīng)力和總變形均在允許的范圍內(nèi)，其剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；

(2)通過計(jì)算得到最大垂直靜撓度，為主梁的上供設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)支撐；

(3)應(yīng)用Workbench有限元分析方法能夠?qū)ζ鹬貦C(jī)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)提供了可靠依據(jù)。

[1]GB3811-1983，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 王金諾,于蘭峰.起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

[3] 劉會(huì)議,黃府.特大型龍門吊主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)與研究,2013,40(11):35-45.

[4] 劉金萍.龍門吊結(jié)構(gòu)有限元分析[J].機(jī)械管理開發(fā),2014，126(06):23-25.

[5] 劉力.懸臂式龍門吊結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].機(jī)械工程師,2013,(07):100-102.

Main structure design and analysis of 32/10 t-15 m gantry crane

GE Jun-li1, LONG Zhi-cheng2，YIN Hui1, GUO Qin-xian1, HU Xiao-jia1, LIU Da-wei1, HUANG Zi-song1

(1. Hebei Port Group Port Machinery Co., Ltd, Qinhuangdao 066000, China； 2. Xinjiang Deqin Huli Industrial Technology Co., Ltd., Urumqi 830022, China)

The stability of 32/10t-15m gantry crane was calculated and a 3D model was developed. Based on the method of static design-dynamic compensation, the stress of main structure was analyzed by using the finite element software named Workbench when gantry crane was working on two dangerous conditions, then the stress cloud and deformation cloud were obtained to verify the structure design of gantry crane. So it can provide a reliable basis for the overall design of gantry crane.

gantry crane; finite element; stability; stress; deformation

2016-05-16；

2016-07-09

葛俊禮(1985-)，男，博士，河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司研發(fā)部。

TH213.5

A

1001-196X(2017)03-0074-04