基于有限元分析的橋式起重機橋架設計

翟杰 張偉

摘 要：隨著我國經濟快速發展，我國工程建設在不斷增多，起重機作為物料搬運、裝卸及用于安裝的機械設備，在國民經濟支柱行業中扮演著重要的角色，其中橋式起重機應用最為廣泛。橋式起重機一般橫架于車間、倉庫和料場上空進行物料吊運。它由橋架、起重小車、電氣設備、司機室等幾個大部分組成。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，以達到在跨度內和規定高度內組成的三維空間里搬運和裝卸貨物。橋架的結構由主梁和端梁組成。在起重機橋架的結構設計中，分析校核及改造研究關系起重設備運行的平穩性和可靠性，對降低生產成本、有效地實現安全生產具有現實意義。

關鍵詞：橋式起重機;橋架;有限元

引言

起重機的出現大大提高了人們的勞動效率，以前需要許多人花長時間才能搬動的大型物件現在用起重機就能輕易達到效果，尤其是在小范圍的搬動過程中起重機的作用是相當明顯的 。橋式起重機小車主要包括起升機構、小車架、小車運行機構、吊具等部分。其中的小車運行機構主要由減速器、主動輪組、從動輪組、傳動軸和一些連接件組成。由于起重機屬于重型機械，因此，對其承載能力和相關的校核計算是很有必要的，本文主要設計了一種起重機小車的結構并對其進行了理論計算驗證，其特點是承載能力強、結構緊湊。

1橋式起重機概述

橋式起重機在目前工業化生產中主要被應用于一些重型物料的起重、運輸以及裝卸等工作。就目前橋式起重機的使用范圍來看，其被廣泛應用在工業生產的材料設備倉庫等場所。橋式起重機的工作原理主要是通過在倉庫上方中的橫梁結構，安裝相應的起重運行軌道，并利用軌道運輸實現相應的設備、材料的起重、存儲以及運輸工作。就一般情況而言，目前常見的橋式起重機主要由以下 4 個部分和結構組成。（1）橋式起重機的大車結構，大車結構主要是通過 4 個車輪驅動進行橫向運輸。（2）橋式起重機的小車運行結構，小車運行結構主要是利用橋式起重機中的起升裝置以及運輸電力系統，通過兩輪驅動在相應的橋架上實現橫向運輸。（3）橋式起重機的升降結構，為有效完成物料的存儲與運輸，需要進行相應的物料升降作業，其中升降結構需要相應的發電機、齒輪驅動以及減速裝置，制動器、極限開關、吊鉤以及卷筒等機構。（4）完整的橋式起重機的運行還需要配置相應的電氣系統，主要包括配電室、控制室以及通道與扶手等設施，確保橋式起重機在工作時能夠有序進行。就當前我國橋式起重機的使用現狀來看，橋式起重機的品類繁多，日常使用中主要包括抓斗式起重機、吊鉤式起重機、兩用橋式起重機、三用橋式起重機、電磁橋式起重機以及雙小車橋式起重機等類型。為更好提升橋式起重機使用的規范性與合理性，需要在實際運用過程中，結合實際情況以及使用的環境情況，綜合考慮橋式起重機的選取和使用。

2橋式起重機橋架設計

2.1主梁設計計算

首先，確定載荷。主梁自重載荷包括：主梁、小車軌道、走臺、欄桿、機電設備及操控室的重量載荷等。經計算得主梁均布載荷Fq=3300N/m。其次，根據車輪的打滑條件確定大車、小車運行時產生的慣性力，主動輪和從動輪各占一半。再次，計算偏斜運行側向力。雙梁箱型橋式起重機忽略一些設備后為對稱機構，可按照一個機構進行計算。確定主梁、端梁、大車運行機構的重量和司機室及設備重量后，分滿載小車處于主梁跨中及處于左端極限位置，兩種位置情況計算輪壓產生的側向力。最后，計算垂直和水平兩方向的主梁內力。主梁按簡支梁計算在固定載荷與移動載荷作用下大車傳動側的主梁內力。在符合實際的情況下，采用適當兩主梁軸線間距構成新的水平剛架。在水平慣性載荷及水平側向力作用下，產生主梁端部水平彎曲力矩及剪應力。

2.2橋架的模態分析

橋式起重機在運行過程中，由于頻繁的啟動和制動，會使橋架產生強烈的沖擊與振動。為了避免橋架因共振而失效，有必要考慮其動態特性，模態分析則是動態特性分析的重要內容，主要用來計算結構的固有頻率和固有振型。利用已經建立好的橋架模型進行模態分析，網格劃分與靜力分析時相同 。通過 MODO 求解器，添加前六階約束模態求解。

2.3 疲勞壽命預測

起重機的疲勞破壞大體上就是初始裂紋從擴展到斷裂的過程，而這一過程所需要的時間就是起重機的疲勞壽命。當裂紋長度達到臨界裂紋長度時，構件就發生斷裂，故構件的疲勞壽命主要是由裂紋擴展速率決定的。

2.4端梁分析

端梁是橋式起重機載荷平移的關鍵部件。它由大車車輪和端梁架兩部分構成。端梁架由上蓋板、腹板以及下蓋板等構成，利用連接板和螺栓緊固。加載負荷包括：小車自重，起升重量。當小車位于跨端時端梁承受最大載荷，集中載荷作用在車輪上端下蓋板處，方向垂直于上蓋板并向上。由云圖分析可知彎角處與肋板處產生的應力最大，靠近車輪處的肋板產生最大變形。車輪上方下蓋板處發生最大的位移形變。端梁與主梁的連接位置處的肋板發生形變。綜合原因：靠近車輪以及主、端梁連接處的肋板，承受最大垂直方向載荷，而跨中的肋板發生的形變較小;端梁蓋板承受車輪的反作用力，產生向上的形變。通過分析端梁的疲勞，安全因子較低的部位在肋板位置以及上蓋板與車輪相接觸的位置。據此提出改進方案：將肋板加厚;端梁支承彎角處加焊兩塊彎板，彎板兩個垂直面上增加車輪組定位墊，彎板參與端梁承載工作。

2.5小車主、副起升機構設計

主起升機構起重量按 Q =200t，副起升機構起重量按 Q = 50t 計算，查表 4 -2 （起重機設計手冊） 取主、副起升機構滑輪組倍率分別為 m =8 和 m =5，承載繩分支數： Z = 16 和 Z = 10。按照布置宜緊湊的原則，傳動方案如圖 1 所示。在起升機構工作時，電動機轉動，首先通過減速器將運動速度減小，起升轉矩增大，然后將運動傳遞到卷筒，最后連接滑輪組將重物起升。經過計算主、副起升機構減速總傳動比分別為 90、53，根據總傳動比可以選擇相應的減速器，本文選擇德國 sew 減速器，型號為 M3P90、M3P50，其特點為總體尺寸小、承載能力強、性能穩定、壽命長，是一種專門用于重載環境下的減速器。

結語

依據起重機設計理論，設計計算橋式起重機橋架的主梁和端梁，完成橋架整體校核。進一步根據有限元分析結果：端梁彎角處與肋板處產生應力最大，靠近車輪安裝處的肋板產生最大變形。滿載小車位于主梁跨中位置時，主梁產生最大的撓度，應將橋架設置一定的上拱度;小車處于跨端時，主梁與端梁連接處會承受最大應力。橋架整體分析確認橋架產生的撓度，自振的頻率以及危險點所能承受的應力均滿足起重機設計標準要求。從可靠性考慮，對端梁支承車輪部位安裝定位墊板和支承板，以減少端梁受到的疲勞破壞。從穩定性考慮，主梁增設兩根加勁肋，保證主梁穩定。對橋架中的隔板進行了拓撲分析，并進行改進，減輕大約40kg的重量，在不影響起重機安全性能的前提下減少起重機的自重。

參考文獻

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]成大先.機械設計手冊（第四版）[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3]孫恒，陳作模.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]周開勤.機械零件手冊[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.