桥式起重机大车大梁有限元分析
2012-09-15李阳，梁臻
李 阳，梁 臻
（武汉市特种设备监督检验所，湖北 武汉430019）
传统的起重机设计往往以静态设计为主，主要是借鉴已有产品的设计方法与经验，技术手段多采用以古典力学和数学为基础的半理论半经验的设计方法、类比法以及经验法等，导致起重机产品设计的周期较长，设计精度较差，而且更为严重的是，由于起重机是一类大型的机械产品，其工作的环境以及工作的工况较为复杂并且多变，导致金属结构的动态性能受多种因素的共同影响，传统的设计方法很难考虑周全这些复杂多变的因素，因此，设计的产品其安全性有时得不到可靠的保证［1－2］.
近年来，国内外将动态设计方法以及有限元分析法引入到起重机的设计计算与分析中，在起重机设计中采用一种新的方法——动态设计仿真及有限元仿真分析，即采用计算机来模拟起重机部件或整机在各种工况下随载荷变化或时间变化的运行状态以及金属结构在多种复杂因素下的强度、刚度与稳定性分析.这些先进的技术方法很大程度上促进了起重机设计技术的发展并提高了起重机产品的安全性与可靠性［2－3］.
本文就是基于上述思想对桥式起重机大车运行机构大车大梁进行有限元分析，由计算机完成桥式起重机大车运行机构大车大梁的分析、运算和评价；此外，它为准确分析起重机的安全性能，缩短设计周期，减少设计风险和成本，优化产品质量，提高产品功能性、可靠性、安全性等提供强而有力的保障.
1 桥式起重机结构与参数
桥式起重机主要由大车运行机构、小车运行机构、起升机构、驾驶室、大车端梁、小车运行轨道、桥架装配、电气设备、栏杆等部分组成.其整机主视图见图1.整机系统的主要性能参数见表1.
图1 桥式起重机结构主视图
表1 主要性能参数表
2 桥式起重机作业工况
桥式起重机常见的作业工况主要分为以下几种.
Ⅰ类工况：大车运行机构及小车运行机构均静止不动，并且小车静止于大车运行机构主梁跨中，起升机构承载静止的吊重或者不承载吊重.这种工况下的载荷组合为：大车桥架自重、小车桥架的静轮压以及其他附属结构的重量（例如驾驶室、走台及栏杆等，它们可以用均布力来代替）.
Ⅱ类工况：大车运行机构静止不动，小车位于大车运行机构主梁跨中，但在承载吊重的前提下运行制动.这种工况下的载荷组合为：大车桥架自重、小车桥架的动轮压、小车运行机构制动运行水平惯性力（此力的计算需要考虑动载系数φ5）以及其他附属结构的重量（例如驾驶室、走台及栏杆等，它们可以用均布力来代替）.
Ⅲ类工况：大车运行机构静止不动，小车位于大车运行机构主梁跨端，起升机构在承载吊重的前提下下降并制动.这种工况下的载荷组合为：大车桥架自重、小车桥架的动轮压以及其他附属结构的重量（例如驾驶室、走台及栏杆等，它们可以用均布力来代替，但需要考虑动载系数φ1）.
Ⅳ类工况：大车运行机构运行制动，小车运行机构位于跨中，起升机构在承载吊重的前提下下降并制动.这种工况下的载荷组合为：大车运行机构制动惯性力、小车桥架的动轮压以及其他附属结构的重量（例如驾驶室、走台及栏杆等，它们可以用均布力来代替，但需要考虑动载系数φ5）.
3 基于Ansys的桥架结构分析
3.1 载荷情况
桥式起重机大车大梁所承受的载荷主要有大车大梁自重、小车自重载荷、吊重载荷、惯性载荷等.各部件的质量见表2.
表2 各部件的质量 kg
3.2 计算工况
常见的桥式起重机作业工况已在第2部分进行了详细描述，本节选取第Ⅰ工况进行桥式起重机大车运行机构中的承载部件（大车大梁）进行有限元受力分析.其他工况分析方法类似.
由于计算机性能等原因，取其中的一个主梁进行建模和分析，在施加力的过程中，分别取计算得到的总作用力的一半施加在单主梁上.
3.3 模型加载力
将第一大类工况安装吊重按重量不同分为两类小工况，作为本文分析的前提条件.
工况1：大车静止，小车位于大车运行机构中间位置，主起升机构离地起吊30t；
工况2：大车静止，小车位于大车运行机构中间位置，副起升机构离地起吊15t；
两种工况下有限元分析模型的加载力分别由
求出.式中φ2为动载系数，可取1.1～1.25.
3.4 分析结果
工况1和工况2下大车大梁节点位移云图分别见图2及图3.
图2 工况1下大车大梁节点位移云图
图3 工况2下大车大梁节点位移云图
4 结论
由大车大梁在起吊货物时的许用扰度计算公式计算而得本文研究对象的许用扰度为2mm，与分析结果进行对比可知，在本文所研究的两种工况下，小车车架均满足安全要求.
［1］韦树宝.基于虚拟样机技术的龙门起重机动力学仿真研究［D］.武汉：武汉理工大学图书馆，2006.
［2］曾 春，徐长生.桥式起重机钢丝绳系统的模态分析［J］.武汉工程职业技术学院学报，2006，18（4）：18－20.
［3］梅 杏，胡吉全，张焱清.轮胎式起重机转台结构疲劳寿命分析［J］.湖北工业大学学报，2011，26（4）：40－42.
