淺議人字架滑輪布置方式對結構變形的影響

侯　娜，譚　微，王詩柔，黃景楠，許平

（1.大連慧昌海洋工程技術有限公司，遼寧大連116019；2.大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連116023）

淺議人字架滑輪布置方式對結構變形的影響

侯娜1，譚微1，王詩柔2，黃景楠1，許平2

（1.大連慧昌海洋工程技術有限公司，遼寧大連116019；2.大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連116023）

對人字架進行力學分析，應用ANSYS軟件建立人字架模型，加載各典型工況下的受力，分析其最大應力、最大位移、穩定性、以及變形趨勢。根據直觀的有限元計算結果，發現人字架起升滑輪與變幅滑輪分開布置易引起材料疲勞。因而對結構進行改進，將起升滑輪和變幅滑輪同軸布置，再次進行有限元分析，結果顯示變形趨勢理想，且能夠滿足強度、剛度、穩定性等工程實際需求，對結構設計具有較高的指導意義。

人字架；有限元分析；滑輪布置

門座起重機是一種廣泛應用于港口碼頭的裝卸搬運機械，機構眾多結構復雜。根據用途一般可分為裝卸用門座起重機、造船用門座起重機、建筑安裝用門座起重機。國產的門座起重機以50 t以下的機型居多，大噸位的門座起重機還不常見。

本文所研究的門座起重機屬于港口通用門座起重機，最大起重量300 t，最大作業幅度45 m.人字架在此主要承受變幅繩的拉力、起升繩的拉力，隨著臂架角度的變化，人字架受力相應改變［1］。本文對人字架結構進行變幅組合條件下的靜力學分析，作為有限元分析的載荷輸入條件，通過ANSYS軟件建模并計算出各典型工況下的應力、位移、及變形趨勢，根據計算結果對人字架進行結構優化，使之滿足剛度、強度及穩定性的要求，對結構設計具有較高的指導意義。

1　人字架結構構成

本文所研究的人字架分為前撐桿、后拉桿、及中部撐桿三部分，由銷軸鉸接為一個整體。前撐桿截面為H型，翼緣寬，承彎能力強，側向剛度大。后拉桿截面最初方案為H型，后改為箱型，傳力均勻，強度及剛度大。中部撐桿也按照H型截面設計。人字架所有材料均選用Q345B.

初步設計時，人字架上的滑輪分為上下兩排布置，上部滑輪為變幅滑輪，下部滑輪為主、副起升滑輪（如圖1（a）所示）。結構優化后的人字架，所有滑輪同軸布置（如圖1（b）所示）。

圖1　人字架構成

2　載荷計算及載荷工況

對人字架而言，主要受變幅繩拉力、主鉤吊載的起升繩拉力、副鉤吊載的起升繩拉力。鋼絲繩在各滑輪上的卷繞方式不同，滑輪受力也不同。起升繩力受載荷大小的影響，變幅繩力隨載荷大小和臂架幅度而變化。與其它類別的起重機相比較，門座起重機有其工作的特殊性，即在一定的幅度范圍內，能夠吊載最大載荷。因此，選擇幾種典型的工況進行受力分析：最大起重量最小幅度工況、最大起重量下的最大幅度工況、最大幅度工況。計算時，起重機及其部件的位置、載荷的影響、風載荷的方向，取最不利方向和作用效果的組合［2-3］。具體載荷組合如表1所示。

表1　載荷組合表

表1中選用系數分別為：φ1為起升系數，φ2為動載系數，φ4為運行沖擊系數，φ5為變速運行載荷系數。

在載荷組合中，A1、B1、B3工況的受力大于其它載荷組合，在此僅以B1工況、且主鉤吊載的情況為例，列出人字架各滑輪受力。設X向為水平，指向回轉中心為正向；垂直向上為Y向正向，具體如表2所列。

表2　B1工況各滑輪受力表

3　有限元分析

3.1模型建立及載荷施加及邊界條件

人字架鋼結構部分由板焊接而成，故采用shell63單元建模。三個部件分別建模，在每個安裝鉸耳結構的中心建剛性節點，與耳板軸孔處的節點建立剛性區域。并對兩個需要鉸接的剛性區域的主節點進行耦合，放開繞軸向轉動的自由度。考慮到人字架上所屬扶梯走臺等附屬件的質量，以增加密度的方式對模型進行質量等效。

滑輪軸采用beam188單元建模，兩端與前撐桿安裝孔處的節點之間建剛性區域。為符合實際受力情況，將滑輪軸按滑輪的分布位置進行分段，在每個滑輪中心所在平面與軸線交點處的節點上施加集中載荷。各工況下滑輪受力不同，所加載荷亦不相同。人字架共計14個滑輪，使用命令流對各節點加載更為方便。

人字架與轉臺安裝的四個鉸點，放開繞軸向的轉動，約束其余位移及旋轉自由度（如圖2所示）。

圖2　滑輪雙排布置的有限元模型

3.2計算結果及結構優化

對載荷組合表中的各種工況均進行了有限元分析，在此僅以受力最大的B1工況為例，當人字架的起升滑輪和變幅滑輪分上下兩排布置時，分析最大起重量最小幅度（18 m）工況、最大起重量下的最大幅度（25 m）工況、最大幅度（45 m）工況的強度和剛度。計算結果顯示，18 m幅度最大應力145 MPa，最大位移25 mm；25 m幅度最大應力188 MPa，最大位移32mm；45 m幅度時最大應力173 MPa，最大位移36 mm.三種工況下，45 m幅度時的一階屈曲結果最小，為5.788，穩定性滿足要求。安全系數按1.34選取，板厚16～35 mm的Q345B材料許用應力為243 MPa，因此所設計的結構強度滿足要求。

但通過對比發現，最大幅度工況與其它兩種工況下的前撐桿變形趨勢不同（如圖3所示）。最大幅度（45 m）工況下，上部變幅滑輪所受合力大于下部起升滑輪合力，前撐桿前側受壓后側受拉。另兩種工況下，上部變幅滑輪所受合力小于下部起升滑輪合力，前撐桿前側受拉后側受壓。前撐桿如果長期受兩種變形趨勢的交替作用，易使材料提前發生疲勞。

（續下圖）

（續上圖）

圖3　滑輪分上下兩排布置時各幅度下最大位移分布云圖（放大100倍）

因此修改滑輪結構布置方式，將起升滑輪和變幅滑輪同軸布置，達到無論臂架在何種工況下工作，前撐桿的變形趨勢都是一致的。并且將后拉桿截面由H型改為箱型。更改后的人字架結構B1工況計算結果為：18 m幅度最大應力90 MPa，最大位移21 mm；25 m幅度最大應力136 MPa，最大位移32 mm；45 m幅度時最大應力154 MPa，最大位移37 mm.三種工況下，45m幅度時的一階屈曲結果最小，為4.463，穩定性滿足要求（如圖4圖5所示）。

（續下圖）

（續上圖）

圖4　滑輪同軸布置時各工況下最大位移分布云圖（放大100倍）

圖5　45m幅度下最大應力分布云圖（放大20倍顯示）

4　結束語

本文的研究結果表明，人字架起升滑輪和變幅滑輪的布置方式對結構受力有很大影響。在空間不受限制的前提下，同軸布置更為合理，避免結構件在交變力的作用下提前達到疲勞。利用有限元計算分析，可以直觀地得出結構件應力、位移、及穩定性的變化趨勢，為設計提供依據，其結果是可行的。

［1］GB/T3811-2008，起重機設計規范［S］.

［2］顧迪民.工程起重機［M］.第二版.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［3］張質文.起重機設計手冊［M］.北京:中國鐵道部出版社，1998.

The Influence of Pulleys Arrangementon A-frame upon StructuralDeformation

HOU Na1，TANWei1，WANG Shi-rou2，HUANG Jing-nan1，XU Ping2
（1.Dalian Huichang Marine Engineering Technology Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116019，China 2.Dalian Yiliya Engineeringmachinery Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116023，China）

In this paper，an A-frame analysis is conducted by using mechanics and then A-frame models are established with the finite element analysis software ANSYS.After that the maximum stress，the maximal displacement，stability aswell as the deformation tendency are analyzed after loading forces to A-frame under typical working conditions.On the basis of visual Finite？Element calculation，it is confirmed that when lifting pulleys and luffing pulleys are separately arranged，material fatiguewill be easily caused.Consequently I refine the structure by arranging the lifting pulleys and luffing pulleys into coaxial position and conduct a second finite element analysis. The result shows that the deformation trend is good，moreover the strength，stiffness and stability all meet the engineering requirements.Accordingly this research can provide theoretical guidance for structural design.

herringbone frame；finite element analysis；pulley arrangement

TH213.5

A

1672-545X（2016）05-0039-03

2016-02-06

侯娜（1975-），女，吉林人，學士學位，工程師，主要從事機械設計與計算分析。