橋式起重機大車大梁有限元分析

李 陽，梁 臻

（武漢市特種設備監督檢驗所，湖北 武漢430019）

傳統的起重機設計往往以靜態設計為主，主要是借鑒已有產品的設計方法與經驗，技術手段多采用以古典力學和數學為基礎的半理論半經驗的設計方法、類比法以及經驗法等，導致起重機產品設計的周期較長，設計精度較差，而且更為嚴重的是，由于起重機是一類大型的機械產品，其工作的環境以及工作的工況較為復雜并且多變，導致金屬結構的動態性能受多種因素的共同影響，傳統的設計方法很難考慮周全這些復雜多變的因素，因此，設計的產品其安全性有時得不到可靠的保證［1－2］.

近年來，國內外將動態設計方法以及有限元分析法引入到起重機的設計計算與分析中，在起重機設計中采用一種新的方法——動態設計仿真及有限元仿真分析，即采用計算機來模擬起重機部件或整機在各種工況下隨載荷變化或時間變化的運行狀態以及金屬結構在多種復雜因素下的強度、剛度與穩定性分析.這些先進的技術方法很大程度上促進了起重機設計技術的發展并提高了起重機產品的安全性與可靠性［2－3］.

本文就是基于上述思想對橋式起重機大車運行機構大車大梁進行有限元分析，由計算機完成橋式起重機大車運行機構大車大梁的分析、運算和評價；此外，它為準確分析起重機的安全性能，縮短設計周期，減少設計風險和成本，優化產品質量，提高產品功能性、可靠性、安全性等提供強而有力的保障.

1 橋式起重機結構與參數

橋式起重機主要由大車運行機構、小車運行機構、起升機構、駕駛室、大車端梁、小車運行軌道、橋架裝配、電氣設備、欄桿等部分組成.其整機主視圖見圖1.整機系統的主要性能參數見表1.

圖1 橋式起重機結構主視圖

表1 主要性能參數表

2 橋式起重機作業工況

橋式起重機常見的作業工況主要分為以下幾種.

Ⅰ類工況：大車運行機構及小車運行機構均靜止不動，并且小車靜止于大車運行機構主梁跨中，起升機構承載靜止的吊重或者不承載吊重.這種工況下的載荷組合為：大車橋架自重、小車橋架的靜輪壓以及其他附屬結構的重量（例如駕駛室、走臺及欄桿等，它們可以用均布力來代替）.

Ⅱ類工況：大車運行機構靜止不動，小車位于大車運行機構主梁跨中，但在承載吊重的前提下運行制動.這種工況下的載荷組合為：大車橋架自重、小車橋架的動輪壓、小車運行機構制動運行水平慣性力（此力的計算需要考慮動載系數φ5）以及其他附屬結構的重量（例如駕駛室、走臺及欄桿等，它們可以用均布力來代替）.

Ⅲ類工況：大車運行機構靜止不動，小車位于大車運行機構主梁跨端，起升機構在承載吊重的前提下下降并制動.這種工況下的載荷組合為：大車橋架自重、小車橋架的動輪壓以及其他附屬結構的重量（例如駕駛室、走臺及欄桿等，它們可以用均布力來代替，但需要考慮動載系數φ1）.

Ⅳ類工況：大車運行機構運行制動，小車運行機構位于跨中，起升機構在承載吊重的前提下下降并制動.這種工況下的載荷組合為：大車運行機構制動慣性力、小車橋架的動輪壓以及其他附屬結構的重量（例如駕駛室、走臺及欄桿等，它們可以用均布力來代替，但需要考慮動載系數φ5）.

3 基于Ansys的橋架結構分析

3.1 載荷情況

橋式起重機大車大梁所承受的載荷主要有大車大梁自重、小車自重載荷、吊重載荷、慣性載荷等.各部件的質量見表2.

表2 各部件的質量 kg

3.2 計算工況

常見的橋式起重機作業工況已在第2部分進行了詳細描述，本節選取第Ⅰ工況進行橋式起重機大車運行機構中的承載部件（大車大梁）進行有限元受力分析.其他工況分析方法類似.

由于計算機性能等原因，取其中的一個主梁進行建模和分析，在施加力的過程中，分別取計算得到的總作用力的一半施加在單主梁上.

3.3 模型加載力

將第一大類工況安裝吊重按重量不同分為兩類小工況，作為本文分析的前提條件.

工況1：大車靜止，小車位于大車運行機構中間位置，主起升機構離地起吊30t；

工況2：大車靜止，小車位于大車運行機構中間位置，副起升機構離地起吊15t；

兩種工況下有限元分析模型的加載力分別由

求出.式中φ2為動載系數，可取1.1～1.25.

3.4 分析結果

工況1和工況2下大車大梁節點位移云圖分別見圖2及圖3.

圖2 工況1下大車大梁節點位移云圖

圖3 工況2下大車大梁節點位移云圖

4 結論

由大車大梁在起吊貨物時的許用擾度計算公式計算而得本文研究對象的許用擾度為2mm，與分析結果進行對比可知，在本文所研究的兩種工況下，小車車架均滿足安全要求.

［1］韋樹寶.基于虛擬樣機技術的龍門起重機動力學仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學圖書館，2006.

［2］曾 春，徐長生.橋式起重機鋼絲繩系統的模態分析［J］.武漢工程職業技術學院學報，2006，18（4）：18－20.

［3］梅 杏，胡吉全，張焱清.輪胎式起重機轉臺結構疲勞壽命分析［J］.湖北工業大學學報，2011，26（4）：40－42.