一種單懸臂起重機(jī)有限元與抗傾覆性能分析

摘 要：通過對(duì)一種單懸臂起重機(jī)靜力分析，完成了主梁兩種工況的應(yīng)力和最大撓度計(jì)算以及在不同風(fēng)力等級(jí)下起重機(jī)的抗傾覆校核。通過分析，該起重機(jī)設(shè)計(jì)符合要求，保證設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定。利用MIDAS軟件可以方便的進(jìn)行起重機(jī)主梁應(yīng)力分析與撓度求解，為起重機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：單懸臂；門式起重機(jī)；有限元；靜力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.192

0 引言

單懸臂門式起重機(jī)的主梁長度大于起重機(jī)的跨度，懸臂根據(jù)施工需要或場地限制設(shè)置在起重機(jī)一端，主要承擔(dān)地隧道內(nèi)的施工渣土的吊運(yùn)與傾倒、模板管片吊運(yùn)、盾構(gòu)施工的材料和構(gòu)件等器材的垂直運(yùn)輸[1-2]。為了保證設(shè)備使用過程中的穩(wěn)定與可靠性，必須對(duì)其在各種工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等進(jìn)行計(jì)算分析[3]，從而為研究單懸臂起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供參考。

一種單懸臂門式起重機(jī)為某城市地鐵施工專用雙梁門式起重機(jī)，該起重機(jī)整體為箱梁焊接及螺栓連接，起重量45t（掛梁滑輪以下），跨度24m，主梁下凈空高12m，起升速度9 m/min，大車（整機(jī)）走行40 m/min，小車（天車）走行40 m/min，工作制度為A6（重級(jí)）。

1 有限元分析與計(jì)算

由于起重機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，傳統(tǒng)計(jì)算手段需要多種假設(shè)條件，難以獲得符合工程實(shí)際的準(zhǔn)確結(jié)果，因此本設(shè)計(jì)采用有限元分析方法，借助MIDAS軟件完成主梁結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析研究。

1.1 主梁應(yīng)力分析

利用MIDAS有限元分析軟件對(duì)主梁進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，首先建立模型，定義材料屬性（本機(jī)采用Q345B材料），使用板單元進(jìn)行單元定義，完成約束條件和加載。根據(jù)起重工況不同，分別求解移動(dòng)載荷位于懸臂段和在主梁跨中位置的主梁應(yīng)力分布狀況。計(jì)算結(jié)果如圖1、2所示。

經(jīng)過計(jì)算分析，當(dāng)移動(dòng)載荷位于懸臂段時(shí)主梁最大應(yīng)力值為88 MPa，根據(jù)強(qiáng)度校核條件[4]，選取的安全系數(shù)為1.5，88MPa<=230（MPa）滿足強(qiáng)度要求；當(dāng)移動(dòng)載荷在主梁跨中時(shí)，主梁最大應(yīng)力值為66 MPa，根據(jù)強(qiáng)度校核條件66MPa<230（MPa）= 滿足強(qiáng)度要求。

1.2 剛度計(jì)算

根據(jù)起重工況，分別求解移動(dòng)載荷位于懸臂端和主梁跨中位置的主梁撓度狀況。計(jì)算結(jié)果如圖3、4所示。

經(jīng)計(jì)算移動(dòng)載荷在主梁懸臂端最大撓度15mm≤滿足要求；當(dāng)移動(dòng)載荷在主梁懸臂端最大撓度18mm≤滿足要求。

2 起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

該起重機(jī)的單懸臂結(jié)構(gòu)，其抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算校核，主要考慮以下兩類工況：

（1）縱向工況1：懸臂平面，無風(fēng)靜載。此工況小車位于懸臂端，起吊額定起升載荷。

其中PQ為額定起重量；G1為橋架自重；G2為小車自重；KG為自重載荷的載荷系數(shù)；KP為起升載荷的載荷系數(shù)；a為小車重心至支撐點(diǎn)的距離；c為橋架重心至支承點(diǎn)的距離。由于計(jì)算結(jié)果大于0，根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，此工況滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。

（2）橫向工況：大車走行方向，暴風(fēng)侵襲。此工況考慮起重機(jī)錨固未工作，受暴風(fēng)侵襲12級(jí)大風(fēng)，橫向大車走行方向，抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算式為：

式中為橫向作用于橋架及小車上的風(fēng)力；為橋架及小車橫向擋風(fēng)面積自支腿鉸接點(diǎn)量起的形心高度；B為同軌兩走行機(jī)構(gòu)中間位置軸距；計(jì)算結(jié)果大于零，該起重機(jī)在錨固狀態(tài)下可抵抗暴風(fēng)侵襲不發(fā)生傾覆。該設(shè)備已經(jīng)在某沿海城市投入使用1年多，運(yùn)行狀況良好，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

3 結(jié)論

對(duì)一種單懸臂門式起重機(jī)不同工況的應(yīng)力與撓度計(jì)算，以及不同風(fēng)力狀態(tài)下起重機(jī)的抗傾覆計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)備設(shè)計(jì)符合相關(guān)要求，能夠保證設(shè)備運(yùn)行的安全可靠。其結(jié)果可應(yīng)用于同類單懸臂地鐵用起重機(jī)靜力及穩(wěn)定性分析，為工程實(shí)踐提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[3]裴寶浩，張為春，馬兵兵，杜賢斌，陳杰.起重機(jī)車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及模態(tài)分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2012（09）：67-69.

[4]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：13-14.

作者簡介：陳佰江（1981-），男，碩士，教師，講師，工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及制造教學(xué)與研究工作。endprint