門式起重機(jī)支腿系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)研究

萬治家 星都起重設(shè)備（遼寧）有限公司

為了提高門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率，以APDL為二次開發(fā)工具，建立了某40 t級U形門式起重機(jī)的參數(shù)化模型。在分析剛性支腿加勁肋對整機(jī)穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度等影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用Ansys的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，對門式起重機(jī)支腿系統(tǒng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。相比于原設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)加勁肋布置方式明顯改善，質(zhì)量減輕了19.98%，支腿系統(tǒng)輕量化效果明顯，為起重機(jī)支腿系統(tǒng)和類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。

一、概述

門式起重機(jī)的承載結(jié)構(gòu)是由主梁和支腿系統(tǒng)組成，主梁形式與橋式起重機(jī)基本上一致，橋式起重機(jī)主梁的研究已經(jīng)有一定的研究，而對門式起重機(jī)支腿系統(tǒng)的研究相對比較少。門式起重機(jī)的支腿系統(tǒng)主要由剛性支腿、柔性支腿、下橫梁組成，起著承載起重載荷和整機(jī)自重的作用，是門式起重機(jī)核心組成部分。目前，國內(nèi)外學(xué)者對門式起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)有了很多研究，研究了三維起重機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析；研究了門式起重機(jī)剛性支腿的設(shè)計(jì)方法；研究了影響門式起重機(jī)柔性支腿穩(wěn)定性的3個因素，但研究對象都限于單個構(gòu)件和理想的邊界條件；研究了龍門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，但未考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。影響門式起重機(jī)支腿結(jié)構(gòu)質(zhì)量的決定因素不是強(qiáng)度和剛度條件，而是穩(wěn)定性條件，增加加勁肋是確保穩(wěn)定性的最主要方式。研究剛性支腿的加勁肋布置對整機(jī)的起重性能影響和輕量化設(shè)計(jì)具有重要意義。

二、剛性支腿加勁肋分析

門式起重機(jī)的支腿系統(tǒng)由剛性支腿、柔性支腿、下橫梁等組成，其中剛性支腿又是支腿系統(tǒng)中主要承重結(jié)構(gòu)，在由薄板制成的軸心受壓構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件在外載荷作用下，受壓最大的薄板很容易發(fā)生波浪式翹曲而喪失承載能力而造成局部失穩(wěn)，構(gòu)件中的局部板端失穩(wěn)減弱了截面的承載能力，引起構(gòu)件扭曲，從而導(dǎo)致構(gòu)件整體失穩(wěn)。很顯然，構(gòu)件不喪失局部穩(wěn)定是保證整體不失穩(wěn)的先決條件。增加加勁肋是保證局部穩(wěn)定性的有效措施，同時也會對支腿系統(tǒng)和主梁的強(qiáng)度以及剛度造成一定的影響。根據(jù)窮舉法，根據(jù)不同加勁肋組合之間的對比，又可得出不同加勁肋對影響門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度的影響規(guī)律，其對比方案見表1。

表1 方案1、2、3不同加勁肋組合的對比

其中方案1可對比橫向加勁肋的變化的影響，方案2可對比支腿平面縱向加勁肋的變化的影響，方案3可對比門機(jī)平面縱向加勁肋的變化的影響。同時對比方案1、2、3的橫向?qū)Ρ?，可對?種加勁肋的影響大小。

1.加勁肋對穩(wěn)定性的影響。特征值屈曲分析可得到整機(jī)的屈曲系數(shù)，是衡量門式起重機(jī)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。以圖2的加勁肋設(shè)置為原型，依次減少加勁肋的數(shù)量，加勁肋對門式起重機(jī)穩(wěn)定性影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 加勁肋組合與門式起重機(jī)穩(wěn)定性系數(shù)

圖1為穩(wěn)定性系數(shù)隨著加勁肋組合不同而變化的曲線，通過不同的加勁肋組合對比，其影響規(guī)律可以通過整機(jī)穩(wěn)定性系數(shù)變化得出。通過對比加勁肋組合1和2，穩(wěn)定性系數(shù)減小了0.71%，說明橫向加勁肋對門式起重機(jī)穩(wěn)定性影響很小，組合3和5在沒有b的情況下，穩(wěn)定性系數(shù)減小了15.71%，說明了橫向加勁肋對穩(wěn)定性影響變顯著；組合7和8在沒有b和c的情況下，穩(wěn)定性系數(shù)減小30.38%，說明橫向加勁肋單獨(dú)對門機(jī)的穩(wěn)定性影響很小。通過對比加勁肋組合

1和3，穩(wěn)定性系數(shù)減小了32.78%，說明加勁肋b對穩(wěn)定性影響較顯著。組合2和5在沒有加勁肋a的情況下穩(wěn)定性系數(shù)減小了42.94%，說明加勁肋a、b聯(lián)合作用影響變顯著，組合6和8在沒有加勁肋a、c的情況下穩(wěn)定性系數(shù)變化了45.77%。由此可以看出，支腿平面縱向加勁肋對穩(wěn)定性的影響比較顯著。通過對比加勁肋組合1和4，穩(wěn)定性系數(shù)驟降了70.08%，說明門機(jī)平面縱向加勁肋對穩(wěn)定性的影響非常顯著。組合2和6在沒有加勁肋a的情況下穩(wěn)定性系數(shù)變化了77.49%，說明橫向加勁肋的影響非常小，組合5和8在加勁肋c的單獨(dú)作用下穩(wěn)定性系數(shù)變化了78.51%。由此可以看出，門機(jī)平面縱向加勁肋對穩(wěn)定性的影響非常顯著。橫向?qū)Ρ冉M合1和2、組合1和3、組合1和4可以得出加勁肋a、b、c對門式起重機(jī)穩(wěn)定性的影響由小到大。

2.加勁肋對剛度的影響。門式起重機(jī)的剛度分為主梁的剛度和支腿的剛度，主梁剛度是以額定起升載荷及自行式小車（或電動葫蘆）自重載荷在該處產(chǎn)生的垂直靜撓度來衡量，雙梁式門式起重機(jī)如果橋架水平剛度不夠，會出現(xiàn)2主梁向中間并攏甚至出現(xiàn)小車卡軌現(xiàn)象。為避免卡軌現(xiàn)象，須對橋架水平剛度進(jìn)行校核。以主梁Z方向最大位移來衡量主梁剛度，考慮支腿X、Y向最大位移來衡量支腿水平剛度。支腿位移云圖見圖2。

圖2 組合1支腿位移云圖

腿與主梁連接處的水平X、Y向位移最大。通過組合1、2和3、5及7、8對比，可以看到，支腿的X、Y方向最大位移變化不大，說明橫向加勁肋對剛性支腿的抗彎剛度影響不顯著。通過對比組合1和3、組合2和5、組合6和8可以看出，支腿平面縱向加勁肋對支腿在X向的位移影響在5%左右，對Y向的位移影響逐漸變大，最大達(dá)到10.35%。通過對比組合1和4、組合2和6、組合5和8可以看出，門式起重機(jī)門機(jī)平面加勁肋對支腿X向位移和Y向位移影響比較大，且對X向位移比對Y向位移影響顯著，說明門機(jī)平面縱向加勁肋對支腿的X向和Y向剛度影響比較顯著。當(dāng)加勁肋減少，主梁的Z向位移絕對值逐漸變大，但通過變化最大的組合1和8是4.1%，說明加勁肋對門式起重機(jī)主梁Z向的位移影響不顯著。綜上所述可知，門式平面縱向加勁肋對支腿的剛度影響比較明顯，支腿平面縱向加勁肋影響次之，橫向加勁肋影響最小。支腿加勁肋對主梁的剛度影響不明顯。

3.加勁肋對強(qiáng)度的影響。支腿的加勁肋對支腿強(qiáng)度有一定影響。由于門式起重機(jī)是一個空間金屬結(jié)構(gòu)，故支腿的變化會引起主梁的變化。為此，通過不同加勁肋組合，來研究加勁肋對支腿和主梁最大Von Mises應(yīng)力的影響規(guī)律。支腿應(yīng)力分布較大的地方主要集中在支腿與下橫梁連接處，主梁應(yīng)力較大區(qū)域是主梁的跨中位置。對比表1的方案1～3可以得到表2的支腿應(yīng)力變化率表，通過對比表11第一行數(shù)據(jù)，可以得出橫向加勁肋和支腿平面縱向加勁肋影響分別為1.1%和0.18%，門機(jī)平面縱向加勁肋3對支腿應(yīng)力影響比較大（達(dá)到8.54%），加勁肋1.2對支腿應(yīng)力不明顯。

表2 支腿Von Mises應(yīng)力變化率%

通過表3第一行變化率可得出加勁肋1～3對主梁的應(yīng)力影響都小于2%，可以得出支腿加勁肋變化對主梁應(yīng)力影響不明顯。

表3 主梁Von Mises應(yīng)力變化率%

三、支腿系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)

1.門式起重機(jī)支腿系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立。（1）設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量的選取與目標(biāo)函數(shù)相對應(yīng)，研究的門式起重機(jī)支腿系統(tǒng)為箱形截面，其主要涉及變量為剛性支腿、柔性支腿、下橫梁的截面尺寸，故定義了16個參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，其中Xaa橫向加勁肋間距，Xab為門機(jī)平面縱向加勁肋間距，Xba為柔性支腿橫向加勁肋間距，Xca為下橫梁橫向加勁肋間距，Raa為剛性支腿前、后腹板厚度，Rab為剛性支腿左、右腹板厚度，Rac為剛性支腿橫向加勁肋厚度，Rad為支腿平面縱向加勁肋厚度，Rae為門機(jī)平面縱向加勁肋厚度，Rba為柔性支腿前、后腹板厚度，Rbb為柔性支腿左、右腹板厚度，Rbc為柔性橫向加勁肋厚度，Rbd為柔性支腿縱向加勁肋厚度，Rca為下橫梁上、下蓋板厚度，Rbc為下橫梁左、右翼緣板厚度，Rcc為下橫梁橫向加勁肋厚度。（2）狀態(tài)變量。狀態(tài)變量以現(xiàn)行起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，全面滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及尺寸限制等要求建立的。靜強(qiáng)度約束條件；

式中：[σ]為材料許用應(yīng)力。靜剛度約束；

式中：δ1max、δ2max分別為小車位于跨中和有效懸臂處時的垂直靜位移最大值。屈曲穩(wěn)定性約束；

式中：FREQ為1階特征值屈曲系數(shù)。門機(jī)結(jié)構(gòu)式是一個空間框架結(jié)構(gòu)，屈曲穩(wěn)定性是框架結(jié)構(gòu)須考慮的一個問題，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，屈曲臨界壓力計(jì)算的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，即有限元計(jì)算的特征值屈曲系數(shù)不應(yīng)小于2。（3）目標(biāo)函數(shù)。門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一般以使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重量最輕為指標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)。以支腿系統(tǒng)總重量為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)f（x）為；

式中：x為設(shè)計(jì)變量，ρ為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)補(bǔ)償后的材料密度，V為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總體積。

2.基于Ansys的門式起重機(jī)支腿系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果分析。將門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使整機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)更趨合理，能夠取得比較明顯的經(jīng)濟(jì)效果。在門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，以期達(dá)到降低自重、減少制造成本、提高整機(jī)性能的目的。為了考慮計(jì)算的精度和優(yōu)化的速度，先用零階優(yōu)化循環(huán)15次，然后再用零階優(yōu)化循環(huán)5次，對上述模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化，支腿系統(tǒng)的加勁肋布置方式有了很大的改善，質(zhì)量減輕效果明顯。支腿系統(tǒng)質(zhì)量減輕了19.98%。此外，整機(jī)最大應(yīng)力由84.49MPa增大到123.9MPa，穩(wěn)定性系數(shù)由6.4511減小到2.014。

總之，以U形門式起重機(jī)支腿系統(tǒng)為研究對象，應(yīng)用APDL語言對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模與靜力學(xué)分析；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，詳細(xì)研究了剛性支腿的橫向加勁肋、門機(jī)平面縱向加勁肋、支腿平面縱向加勁肋對門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度的影響。