基于有限元分析的橋式起重機(jī)橋架設(shè)計

翟杰 張偉

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國工程建設(shè)在不斷增多，起重機(jī)作為物料搬運(yùn)、裝卸及用于安裝的機(jī)械設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)支柱行業(yè)中扮演著重要的角色，其中橋式起重機(jī)應(yīng)用最為廣泛。橋式起重機(jī)一般橫架于車間、倉庫和料場上空進(jìn)行物料吊運(yùn)。它由橋架、起重小車、電氣設(shè)備、司機(jī)室等幾個大部分組成。橋式起重機(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，以達(dá)到在跨度內(nèi)和規(guī)定高度內(nèi)組成的三維空間里搬運(yùn)和裝卸貨物。橋架的結(jié)構(gòu)由主梁和端梁組成。在起重機(jī)橋架的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，分析校核及改造研究關(guān)系起重設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性，對降低生產(chǎn)成本、有效地實現(xiàn)安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī);橋架;有限元

引言

起重機(jī)的出現(xiàn)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(xiàn)在用起重機(jī)就能輕易達(dá)到效果，尤其是在小范圍的搬動過程中起重機(jī)的作用是相當(dāng)明顯的 。橋式起重機(jī)小車主要包括起升機(jī)構(gòu)、小車架、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、吊具等部分。其中的小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)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(jī)屬于重型機(jī)械，因此，對其承載能力和相關(guān)的校核計算是很有必要的，本文主要設(shè)計了一種起重機(jī)小車的結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行了理論計算驗證，其特點(diǎn)是承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊。

1橋式起重機(jī)概述

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

2橋式起重機(jī)橋架設(shè)計

2.1主梁設(shè)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(jī)電設(shè)備及操控室的重量載荷等。經(jīng)計算得主梁均布載荷Fq=3300N/m。其次，根據(jù)車輪的打滑條件確定大車、小車運(yùn)行時產(chǎn)生的慣性力，主動輪和從動輪各占一半。再次，計算偏斜運(yùn)行側(cè)向力。雙梁箱型橋式起重機(jī)忽略一些設(shè)備后為對稱機(jī)構(gòu)，可按照一個機(jī)構(gòu)進(jìn)行計算。確定主梁、端梁、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的重量和司機(jī)室及設(shè)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(chǎn)生的側(cè)向力。最后，計算垂直和水平兩方向的主梁內(nèi)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(cè)的主梁內(nèi)力。在符合實際的情況下，采用適當(dāng)兩主梁軸線間距構(gòu)成新的水平剛架。在水平慣性載荷及水平側(cè)向力作用下，產(chǎn)生主梁端部水平彎曲力矩及剪應(yīng)力。

2.2橋架的模態(tài)分析

橋式起重機(jī)在運(yùn)行過程中，由于頻繁的啟動和制動，會使橋架產(chǎn)生強(qiáng)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(tài)特性，模態(tài)分析則是動態(tài)特性分析的重要內(nèi)容，主要用來計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型。利用已經(jīng)建立好的橋架模型進(jìn)行模態(tài)分析，網(wǎng)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(tài)求解。

2.3 疲勞壽命預(yù)測

起重機(jī)的疲勞破壞大體上就是初始裂紋從擴(kuò)展到斷裂的過程，而這一過程所需要的時間就是起重機(jī)的疲勞壽命。當(dāng)裂紋長度達(dá)到臨界裂紋長度時，構(gòu)件就發(fā)生斷裂，故構(gòu)件的疲勞壽命主要是由裂紋擴(kuò)展速率決定的。

2.4端梁分析

端梁是橋式起重機(jī)載荷平移的關(guān)鍵部件。它由大車車輪和端梁架兩部分構(gòu)成。端梁架由上蓋板、腹板以及下蓋板等構(gòu)成，利用連接板和螺栓緊固。加載負(fù)荷包括：小車自重，起升重量。當(dāng)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(chǎn)生的應(yīng)力最大，靠近車輪處的肋板產(chǎn)生最大變形。車輪上方下蓋板處發(fā)生最大的位移形變。端梁與主梁的連接位置處的肋板發(fā)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(fā)生的形變較小;端梁蓋板承受車輪的反作用力，產(chǎn)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(jù)此提出改進(jìn)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(jī)構(gòu)設(shè)計

主起升機(jī)構(gòu)起重量按 Q =200t，副起升機(jī)構(gòu)起重量按 Q = 50t 計算，查表 4 -2 （起重機(jī)設(shè)計手冊） 取主、副起升機(jī)構(gòu)滑輪組倍率分別為 m =8 和 m =5，承載繩分支數(shù)： 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(jī)構(gòu)工作時，電動機(jī)轉(zhuǎn)動，首先通過減速器將運(yùn)動速度減小，起升轉(zhuǎn)矩增大，然后將運(yùn)動傳遞到卷筒，最后連接滑輪組將重物起升。經(jīng)過計算主、副起升機(jī)構(gòu)減速總傳動比分別為 90、53，根據(jù)總傳動比可以選擇相應(yīng)的減速器，本文選擇德國 sew 減速器，型號為 M3P90、M3P50，其特點(diǎn)為總體尺寸小、承載能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、壽命長，是一種專門用于重載環(huán)境下的減速器。

結(jié)語

依據(jù)起重機(jī)設(shè)計理論，設(shè)計計算橋式起重機(jī)橋架的主梁和端梁，完成橋架整體校核。進(jìn)一步根據(jù)有限元分析結(jié)果：端梁彎角處與肋板處產(chǎn)生應(yīng)力最大，靠近車輪安裝處的肋板產(chǎn)生最大變形。滿載小車位于主梁跨中位置時，主梁產(chǎn)生最大的撓度，應(yīng)將橋架設(shè)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(yīng)力。橋架整體分析確認(rèn)橋架產(chǎn)生的撓度，自振的頻率以及危險點(diǎn)所能承受的應(yīng)力均滿足起重機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定性考慮，主梁增設(shè)兩根加勁肋，保證主梁穩(wěn)定。對橋架中的隔板進(jìn)行了拓?fù)浞治觯⑦M(jìn)行改進(jìn)，減輕大約40kg的重量，在不影響起重機(jī)安全性能的前提下減少起重機(jī)的自重。

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