20 t橋式起重機橋架設計及靜態剛性試驗*

潘 明，陳欽鴻，蘇和鍇，楊 昭

(廣東省特種設備檢測研究院潮州檢測院，廣東 潮州 521000)

0 引 言

橋式起重機作為一種應用極為廣泛固定式起重設備，橋架是其主要受力結構件，用以支撐整機各部件及被提升的重物。在起重機橋架結構分析，傳統力學計算方法公式繁多復雜，尤其是橋架內部筋板布置復雜，難以求解計算，且難以直觀反映橋架結構實際承載受力情況。

與此同時，需要起重機對結構安全性進行試驗驗證。利用有限元分析方法建立有限元模型，并按實際的載荷分布進行加載、求解、快速便捷，全面直觀了解橋架結構在載荷組合作用下應力、變形位移大小及分布情況非常必要。相比傳統力學計算，具有快速便捷，求解結果精確等優點。

筆者根據橋式起重機橋架建立幾何模型，并導入ANSYS Workbench軟件進行有限元分析，得到其強度應力、撓度變形大小及其分布情況，在監督檢驗中進行靜態剛性試驗，試驗結果與有限元計算結果基本一致，證明有限元結果有效性，并驗證橋架符合起重機設計規范要求。上述研究成果可為同類型橋式起重機橋架優化設計提供借鑒。

1 橋式起重機設計

1.1 起重機設計

根據用戶場地跨度14.43 m及最大使用載荷需求20 t，設計開發了20 t橋式起重機。LH20橋式起重機使用電動葫蘆起重，橋架采用雙主梁箱體結構，主梁與端梁采用螺栓-雙螺母連接，其結構及重要尺寸如圖1所示。

圖1 起重機示意圖1.主梁 2.端梁 3.走臺欄桿 4.20噸位牌 5.小車 6.軌道 7.電氣設備 8,9.螺栓螺母

LH20橋式起重機額定起重量20 t，最大提升高度9 m，跨度14 410 mm，相關參數如下，如表1所列。

表1 起重機相關參數

1.2橋架幾何模型

根據所設計的橋架幾何尺寸，橋架使用材料選用Q235B，采用箱體焊接結構，按橋架設計圖紙在Solid Edge軟件建立橋架結構幾何模型，如圖2所示，并導入ANSYSWorkbench中進行預處理。

圖2 橋架幾何模型

1.3 橋架有限元模型

在ANSYS Workbench中進行預處理，設置材料并劃分網格，大小設置為5 mm，主要采用六面體單元劃分方法，如圖3所示。

考慮靜態剛性分析，對端梁輪孔固定約束，同時根據額定起重量20t(196 000 N)；作用在橋架上各主要部件、組件如下：小車(1 680 kg)、走臺欄桿(340 kg)、軌道(563 kg)、電氣設備(165 kg)，合計質量748 kg(26 930 N)，如圖4所示。

因此，在橋架跨中位置軌道上方小車沿行進方向兩輪間距1 750 mm施加載荷222 930 N。

圖3 有限元劃分網格 圖4 有限元約束加載

2 有限元計算

根據GB/T 3811-2008《起重機設計規范》[1]，橋架型電動起重機垂直靜撓度f與起重機跨度S的關系，使用簡單控制系統能達到中等定位精度特性的起重機推薦為：

LH20橋式起重機橋架垂直靜撓度上限為：

經計算有限元模型，橋架跨中位置應力值在33.492～46.583 MPa之間，遠低于橋架材料Q235B屈服應力值σs，符合安全使用要求。應力最大值位于端梁輪孔處產生的接觸應力，最大應力值184.55 MPa，如圖5所示。

橋架撓度變形從橋架跨中位置出現最大值至兩測端梁遞減值最小值，有限元計算撓度變形最大值f1=11.135 mm，如圖6所示。

圖5 應力圖 圖6 變形位移圖

3 靜態剛性試驗

開展橋架靜態剛性試驗意義主要有以下：一是驗證橋架構件垂直靜撓度是否滿足要求，二是驗證橋架材料彈塑性是否滿足要求，即卸載后橋架主梁回彈是否正常。

試驗方法：起吊額定載荷20 t，進行起升、運行聯動試驗。靜態剛性測量時，小車位于跨中，測量小車位于跨中時的下撓值；測量方法使用全站儀測量主梁跨中吊載前后差值。

現場試驗根據有限元計算找出的撓度變形最大位置，將小車移動至位于橋架跨中位置，按額定起重量20 t進行加載，采用PENTAX W-822NX全站儀進行對試驗前后撓度變形量進行測量，該儀器于19年8月4日進行校準，目前在校準有效期內，如圖7所示。

圖7 PENTAX W-822NX全站儀

現場通過全站儀測得：撓度最大變形量f2=10.6 mm；卸載后橋架雙主梁回彈正常，材料符合使用要求。

4 結果分析

(1) 靜態剛性試驗垂直靜撓度f1=11.135 mm與有限元計算垂直靜撓度f2=10.6 mm，結果趨于一致，驗證有限元計算結果的有效性；

(2) 靜態剛性試驗垂直靜撓度f1=11.135 mm結果小于GB/T 3811-2008《起重機設計規范》中關于此橋式起重機橋架垂直靜撓度上限f=19.21 mm的要求，符合設計規范要求。

5 結 論

(1) 通過起重機橋架有限元分析，得到撓度變形大小及其分布情況，結合靜態剛性試驗，試驗結果與有限元計算結果基本一致，證明有限元結果有效性，并驗證橋架符合起重機設計規范要求。

(2) 從產品設計制造的角度，需要實現產品安全性與經濟性的統一，但現有對大多數中小型起重機生產企業，尚無法利用有限元軟件開展計算分析，從上述設備分析結果來看，起重機橋架設計更偏重于安全性。

(3) 上述研究從有限元計算分析與試驗驗證進行有機結合，可反哺起重機橋架優化設計，為提升產品經濟性提供借鑒。

(4) 起重機屬于特種設備，靜態剛性試驗是對設備進行安全評價及安全性驗證,也可對現役橋式起重機橋架承載能力可靠性評估提供有益參考。