某10t門式起重機箱形主梁結構設計計算

黃偉莉，符劍德，范芳蕾，張克義

（1.東華理工大學機械與電子工程學院；2.南昌凱馬有限公司，江西 南昌 330013）

起重機作為重要的專用物流運輸設備，已被廣泛應用于現代工業生產的多個行業領域。為了滿足起重機多目標、高精度、多速度、高效率運行的要求，對其金屬結構的設計要求也越來越高。金屬結構是否滿足強度、剛度和穩定性的要求，將直接影響整機的技術經濟指標，對整機的安全性能也起著非常重要的作用。本文以某公司10t軌道式集裝箱門式起重機的主梁結構為研究對象，采用經典的強度設計理論，對箱型主梁進行工程結構設計和力學分析。

1 主梁結構設計

1.1 起重機主要技術參數

10t-45m雙梁門式起重機的門架結構主要由主梁、端梁、剛性支腿、柔性支腿、下橫梁、小車架、走臺欄桿、司機室以及電氣設備等構成，結構簡圖如圖1所示。其中，起重機主要技術參數如下：額定起重量10t,起升高度23m，工作級別為M5，主梁跨度45m，單側有效懸臂7m，最大懸臂10m，小車運行速度為60m/min，大車運行速度為80m/min。

圖1 門架結構簡圖

1.2 主梁截面幾何參數設計

在起重機結構中，由于箱形結構具有通用性強、抗扭性好、制造工藝簡單、便于實現自動焊等優點，箱型結構成為雙梁小車式橋架型起重機主梁的主要形式。箱形梁結構主要由上下翼緣板、左右腹板、橫隔板和加強筋等鋼板焊接而成，中間截面幾何特征如圖2所示。

圖2 主梁中間截面

在箱形主梁的設計過程中，合理確定梁高是主梁截面參數選擇的關鍵。確定主梁最優幾何截面尺寸，常采用簡化優化方法，即根據主梁的強度和剛度條件確定梁高等參數。但在實際的工程設計中，要同時實現強度和剛度指標都達到許用值的目標通常較難，因此，可以選擇其中一個參數滿足許用值，而另外一個則可以冗余一些來進行設計。根據現有推薦的主梁高跨比選取范圍：

選取主梁梁高h=2300mm，據B=(0.6～0.8)h，取上翼緣板寬度B1=1500mm，下翼緣板B2=1400mm，由局部穩定性條件決定，受壓翼緣板厚度t=8mm。

目前，起重機主梁越來越多采用偏軌箱形構造，相比半偏軌構造，偏軌箱形構造具有如下優點：由于主、副腹板受力不同，副腹板厚選取可比主腹板小，同時可省去支承軌道而設的梁內部眾多短加勁板，明顯改善主梁上蓋板的焊接變形以及波浪變形，焊接下撓變形量也較小，可實現主梁的減重。根據起重量要求，選取主腹板δ1=8mm，副腹板δ2=6mm，兩腹板間距b=1340mm。該截面幾何特性計算如下：hx=1176.6mm，hy=737.69mm

2 主梁的強度計算

據設計手冊，起重機主梁按第Ⅱ類載荷組合進行強度計算。帶撓性支腿的門機在門架平面屬于靜定支承剛架，其主梁在垂直及水平平面內均可按簡支外伸梁來計算內力。

本門機主梁結構的材料選用Q235-B，其密度為ρ=7850kg/m3，彈性模量E=206GPa，泊松比取ν=0.3。根據起重機的工作級別要求和計算載荷組合類別，可確定其安全系數n=1.33，故材料的許用應力為[σ]=σs/n=176.7MPa,許用切應力[τ]=102.55MPa。

2.1 垂直平面的主梁彎矩

主梁在垂直平面內，主要承受主梁自重、小車和固定載荷等作用，其簡化力學模型受力分析如圖3所示。

單根主梁自重G=34.8t，以均布載荷分布，小車自重24t，門架跨度L=45m，單側懸臂總長l=10000mm，有效懸臂長l有效=7000mm，沖擊載荷取φ4=1.18。

主梁單位重量：

圖3 主梁跨中垂直方向簡化受力圖

單根主梁上受到的集中力：

在本次分析中，選取滿載小車位于跨中處(工況一)和滿載小車位于有效懸臂處（工況二）兩個不同的工況進行分析。

當滿載小車位于跨中(工況一)，主梁跨中產生的垂直彎矩為：

當滿載小車位于有效懸臂處（工況二），在懸臂根部產生的垂直彎矩為：

由于工況二的彎矩小于工況一的彎矩，因此，主梁的跨中截面為危險面，并作為計算截面。

2.2 水平面主梁彎矩

主梁在水平平面內所受的主要載荷有主梁均布慣性載荷、小車慣性載荷及風載荷等。主梁跨中截面水平彎矩為：

式中：qH為主梁均布水平載荷（N/mm）；PH為小車集中水平載荷（N）。

2.3 主梁靜應力校核

在主梁的跨中危險截面中，上、下翼緣板與腹板連接處同時作用正應力和擠壓應力等復合應力，需進行強度校核。

主梁上翼緣板外側點靜應力：

主梁主腹板與上蓋板連接處靜應力

式中：

主梁下翼緣板與副腹板連接處靜應力：

綜上，主梁靜強度滿足要求。

根據設計規范，對工作級別為A6以上的起重機需進行疲勞強度驗算，故本門機主梁無須驗算疲勞強度。

3 主梁的穩定性計算

3.1 整體穩定性

由于門機主梁為箱形封閉截面，且主梁高寬比

故主梁的整體穩定性滿足要求。

3.2 腹板的局部穩定性

屬于高復板，可加多道縱向加勁肋確保局部穩定。

3.3 受壓翼緣板的局部穩定性

箱形梁的受壓翼緣板可通過控制其寬厚比來實現局部穩定性。

需加兩條縱向加強筋保證其局部穩定。

3.4 主梁的靜剛度計算

本門機主梁按簡支外伸梁計算靜撓度。

根據GB/T 3188—2008《起重機設計規范》規定，滿載小車位于主梁跨中處（工況一）的靜剛度允許值：

本門機在工況一處主梁的最大靜撓度值為：

故主梁在工況一處的剛度滿足要求。

根據GB/T 3188—2008《起重機設計規范》規定，滿載小車位于有效懸臂端（工況二）的靜剛度允許值：

本門機在工況二處主梁的最大靜撓度值為：

故主梁在工況二處的靜剛度也滿足要求。

4 結語

本文以集裝箱門機的主梁結構為研究對象，從其幾何截面尺寸參數設計入手，結合現有技術標準規范，對其強度、剛度和穩定性等方面指標進行了分析和校核計算。結果顯示，主梁的最大應力及撓度均小于許用值，主梁結構強度和剛度滿足設計要求。同時，最大應力及撓度都具有較大的富余儲備，為主梁結構的進一步優化設計提供了一定的參考。