鑄造用電動雙梁橋式起重機抗震分析

姚海瑞 魏 興

（1：北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029；2：大連益利亞工程機械有限公司 遼寧大連 116024）

1 前言

橋式起重機是橫架于車間、倉庫和料場上空進行物料吊運的起重設備。廣泛應用于機械加工工廠、港口、核電和冶金等領域。根據不同領域特點有著相應的要求，如冶金行業(yè)中鑄造橋式起重機，對抗震有嚴格要求。本文將以某型鑄造用電動雙梁起重機的抗震工況進行有限元法的分析，以闡明計算分析過程，為同行業(yè)借鑒。

2 電動雙梁橋式起重機建模

2.1 該電動雙梁橋式起重機構成

該橋式起重機的主體由橋架和小車構成（見圖1）。

圖1 電動雙梁橋式起重機布置圖

2.2 建立有限元模型

2.2.1 單元類型選取

該橋式起重機大、小車車架均為箱型梁結構，采用梁單元模擬；上下滑輪、減速器、電動機等以梁單元模擬通過修改調整單元密度的方式使模型質量和施加機構質量一致。

鋼絲繩用Link10受拉桿單元模擬，通過16根桿單元來模擬實際起升機構的鋼絲繩纏繞方式，能夠很好的模擬機構在地震作用下的響應。

大小車車輪視為剛體、吊重作為集中質量載荷加在下部滑輪梁中間位置。起重機大小車各自的水平輪，以剛性較大的短梁來模擬。

箱型梁內部布置有隔板、筋板等部件，它們主要對結構穩(wěn)定性產生影響，故將其質量均布在結構中。

變截面梁通過修改變截面處兩端單元的截面編號實現變截面梁建模，建立的梁有限元模型和實際梁結構基本一致，能夠很好的模擬梁在地震工況下的受力情況。

起升卷筒以梁單元模擬，卷筒和梁的連接處以剛性較大的短梁來模擬卷筒軸軸承座，使卷筒上的力以均布載荷的形式施加在小車架相應位置，能夠很好的模擬實際情況下的小車架受力情況。

將小車與橋架連成一體，限制小車的自由度，采用這種建模方式比較保守，在地震工況下起重機金屬的應力和鋼絲繩拉力會偏大。

根據以上原則建立的有限元模型如圖2～4。

圖2 橋架的有限元模型

圖4 整機的有限元模型

2.2.2 邊界條件

橋架附屬結構的質量以均布載荷或集中質量載荷的形式施加在起重機的相應位置，均布載荷以調整模型密度的形式施加。

橋架按簡支梁的方式進行約束，在大車車輪處施加位移約束。大車運行機構共有16個車輪，采用1／4驅動，在抗震計算模型中，大車主動輪處施加全位移約束，在其余車輪處施加相應的位移約束。

2.3 材料參數

采用材料：Q345C；

彈性模量：E＝2.06×105MPa；

泊松比：μ＝0.3；

屈服強度：345MPa；

抗拉強度：513MPa

2.4 分析內容

采用結構靜力計算、模態(tài)分析，譜分析。結果為譜分析和靜力分析結果的疊加。阻尼系數在極限安全地震（SL-2）工況下地震阻尼比為7%。

振型組合采用CQC法，X／Y／Z三個方向譜響應的完全疊加，靜載和地震載荷計算結果按照最不利方式進行組合。

3 實例分析結果

根據規(guī)范及分析要求，進行了靜力和地震響應下8種工況（小車位于跨中、小車位于左右極限、小車位于1／4跨距，吊鉤位于上下極限位置）下的橋架強度、小車架強度、大車輪壓、小車輪壓、起升鋼絲繩拉力計算。

圖5 工況1下整體位移云圖（單位mm）

以工況1為例，下車位于跨中，吊鉤位于最高位，起重量250t，自重沖擊系數1.05，動載系數1.056。其計算結果如圖5、6所示，最大位移為55.2mm，最大應力為180.6MPa，大車最大輪壓（受力）411kN，最小輪壓391kN，小車最大輪壓502kN，最小輪壓460kN，鋼絲繩拉力328.5kN。

按照如上的方法可以分別計算出8種工況下的受力分析，這里不一一列舉。

圖6 整機應力云圖（單位M P a）

4 結論及分析

經過有限元分析，得出了該起重機在8種工況下的受力及位移結果，得出以下結論：

1）考慮自重影響，對該設備承受地震載荷作用下的應力計算，根據GB／T3811-2008，有地震引起的載荷為第三類載荷，應力強度滿足：σ＜σb／3，根據計算結果可知滿足要求。

2）起升機構鋼絲繩模擬采用Link10受拉桿單元，用16根桿單元來模擬實際起升機構的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)，這種模擬方式能夠很好模擬橋式起重機在地震情況下的震動情況，但鋼絲繩受力和實際情況下鋼絲繩受力有一定的差別，雖計算結果鋼絲繩受力偏大，但在地震計算和抗震計算下提取的鋼絲繩受力可作為理論計算的參考。

3）對整機來說，通過抗震工況計算工況下大車輪壓值，可以判斷大車和小車在最大操作負荷加極限安全地震（SL-2）引起的載荷條件下能保持在各自的軌道上，不碰建筑物，也不掉落零件。

綜上所述，在特定工況下，該電動雙梁起重機能夠滿足強度要求與屈曲穩(wěn)定性要求，滿足安全工作條件。

［1］GB50267-1997核電廠抗震設計規(guī)范［M］.國家地震局.北京：中國計劃出版社，1998.1.

［2］GB／T3811-2008起重機設計規(guī)范［M］.北京：中國標準出版社，2008.10.1.

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