門(mén)式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)總成有限元分析

汪建偉

（瀘州老窖釀酒有限責(zé)任公司，四川 瀘州 646000）

門(mén)式起重機(jī)是貨物堆場(chǎng)、建筑工地、車(chē)間及碼頭等場(chǎng)合應(yīng)用比較廣泛的一種貨物裝卸設(shè)備，目前這類(lèi)起重設(shè)備正向大型化、高速高效化、高安全、高可靠性、節(jié)能、低故障率等方向發(fā)展。這對(duì)設(shè)備的力學(xué)特性與自身重量提出了較高的要求，自身重量直接影響了設(shè)備的制造與使用經(jīng)濟(jì)性。

門(mén)式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)總成是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵部件，是設(shè)備的骨架，支撐設(shè)備上的所有零部件及承受吊載貨物的重量，其重量約占整個(gè)設(shè)備重量的60%以上，主要由主梁、端梁、鞍梁、拉桿、支腿、下橫梁組成，這些部件均為力學(xué)性能良好的箱形結(jié)構(gòu)，根據(jù)本類(lèi)設(shè)備的受力特性與使用工況，內(nèi)部還設(shè)置了若干加強(qiáng)隔板與筋板，確保力學(xué)性能優(yōu)良，使用時(shí)安全可靠。所涉及的起重機(jī)為雙懸臂結(jié)構(gòu)，一側(cè)懸臂為10m，另一側(cè)懸臂較長(zhǎng)，達(dá)到了23m，在長(zhǎng)懸臂側(cè)還設(shè)置了雙向拉桿，以增強(qiáng)長(zhǎng)懸臂側(cè)主梁的受力性能。本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)總成，若在設(shè)計(jì)時(shí)仍采用傳統(tǒng)的力學(xué)計(jì)算方法對(duì)各組成部件或整體進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及整體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，很難直觀地反映每個(gè)位置及整體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，特別是內(nèi)部筋板位置，這樣就很難準(zhǔn)確地把握本結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與自重之間的關(guān)系，影響了設(shè)備的整體制造經(jīng)濟(jì)性與使用經(jīng)濟(jì)性，從而降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

而有限元分析方法就具有建模方便快捷、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、直觀形象，使設(shè)計(jì)人員能準(zhǔn)確直觀的查看出各位置的力學(xué)情況，提高了產(chǎn)品的安全性與設(shè)計(jì)效率的同時(shí)還便于產(chǎn)品的優(yōu)化，從而降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)與使用成本。

采用專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件ANSYS對(duì)某型號(hào)門(mén)式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)總成進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度分析，直觀形象地驗(yàn)證本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性，找到優(yōu)化方向，提升整個(gè)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 設(shè)備主要性能參數(shù)

額定起重量45t，雙主梁雙向拉桿結(jié)構(gòu)、跨度30m，小車(chē)軌距16m，大車(chē)基距17m，起升高度12.5m，左懸臂長(zhǎng)10m，右懸臂長(zhǎng)23m，小車(chē)總成重49t，各部件材料為Q235B。

2 有限元模型

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)總成各部件均是由鋼板焊接而成的箱形梁結(jié)構(gòu)，采用beam單元直接對(duì)各部件進(jìn)行離散，為了避免計(jì)算正常與計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生局部奇異，將部分不影響整體力學(xué)性能的小孔、筋板等特征去除。有限元模型如圖1所示。

圖 1

圖 2

圖 3

圖4

圖5

圖6

圖7

3 約束和載荷

施加的約束條件與設(shè)備實(shí)際工作時(shí)的工況載荷是否合理將直接影響計(jì)算結(jié)果的正確性與準(zhǔn)確性。針對(duì)本設(shè)備的結(jié)構(gòu)與受力特性，約束有拉桿前側(cè)主梁對(duì)應(yīng)下橫梁端部與大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)連接處的所有自由度，約束有拉桿后側(cè)主梁對(duì)應(yīng)下橫梁端部與大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)連接處的X、Z方向自由度，約束無(wú)拉桿前側(cè)主梁對(duì)應(yīng)下橫梁端部與大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)連接處的Y、Z方向自由度，約束無(wú)拉桿后側(cè)主梁對(duì)應(yīng)下橫梁端部與大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)連接處的Z方向自由度。按設(shè)計(jì)規(guī)范要求，將剛度與強(qiáng)度計(jì)算所需的載荷施加于主梁兩側(cè)懸臂端與主梁跨中位置。

4 計(jì)算結(jié)果

載荷位于無(wú)拉桿側(cè)強(qiáng)度應(yīng)力云圖如圖2所示，載荷位于跨中強(qiáng)度應(yīng)力云圖如圖3所示，載荷位于拉桿側(cè)強(qiáng)度應(yīng)力云圖如圖4所示，載荷位于無(wú)拉桿側(cè)剛度應(yīng)力云圖如圖5所示，載荷位于跨中剛度應(yīng)力云圖如圖6所示，載荷位于拉桿側(cè)剛度應(yīng)力云圖如圖7所示。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，無(wú)拉桿側(cè)、跨中、拉桿側(cè)最大應(yīng)力為69.3MPa、68.6MPa、101MPa；無(wú)拉桿側(cè)、跨中、拉桿側(cè)最大位移為1.85mm、2.55mm、14.73mm。利用最大復(fù)合應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度，取安全系數(shù)為1.33，材料Q235B的屈服極限為235MPa，許用應(yīng)力σ為176.7MPa。最大靜撓度用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)靜剛度，按設(shè)計(jì)規(guī)范無(wú)拉桿側(cè)、跨中、拉桿側(cè)允許位移為14.29mm、30mm、51.43mm。從上述結(jié)果可以看出本起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)總成滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具有較高的強(qiáng)度和剛度。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)總成具有較高的強(qiáng)度和剛度，存大較大強(qiáng)度與剛度富裕量，需對(duì)各組成部件進(jìn)行一定優(yōu)化（如減小主梁、端梁、鞍梁、拉桿、支腿等截面或板厚），在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求與使用要求的前提下，降低生產(chǎn)成本與使用成本，提升設(shè)備的整體經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)對(duì)本門(mén)式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)總成的力學(xué)特性分析，形象直觀地體現(xiàn)了其受力特點(diǎn)，找到了優(yōu)化方向。