浅议人字架滑轮布置方式对结构变形的影响

侯　娜，谭　微，王诗柔，黄景楠，许平

（1.大连慧昌海洋工程技术有限公司，辽宁大连116019；2.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连116023）

浅议人字架滑轮布置方式对结构变形的影响

侯娜1，谭微1，王诗柔2，黄景楠1，许平2

（1.大连慧昌海洋工程技术有限公司，辽宁大连116019；2.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连116023）

对人字架进行力学分析，应用ANSYS软件建立人字架模型，加载各典型工况下的受力，分析其最大应力、最大位移、稳定性、以及变形趋势。根据直观的有限元计算结果，发现人字架起升滑轮与变幅滑轮分开布置易引起材料疲劳。因而对结构进行改进，将起升滑轮和变幅滑轮同轴布置，再次进行有限元分析，结果显示变形趋势理想，且能够满足强度、刚度、稳定性等工程实际需求，对结构设计具有较高的指导意义。

人字架；有限元分析；滑轮布置

门座起重机是一种广泛应用于港口码头的装卸搬运机械，机构众多结构复杂。根据用途一般可分为装卸用门座起重机、造船用门座起重机、建筑安装用门座起重机。国产的门座起重机以50 t以下的机型居多，大吨位的门座起重机还不常见。

本文所研究的门座起重机属于港口通用门座起重机，最大起重量300 t，最大作业幅度45 m.人字架在此主要承受变幅绳的拉力、起升绳的拉力，随着臂架角度的变化，人字架受力相应改变［1］。本文对人字架结构进行变幅组合条件下的静力学分析，作为有限元分析的载荷输入条件，通过ANSYS软件建模并计算出各典型工况下的应力、位移、及变形趋势，根据计算结果对人字架进行结构优化，使之满足刚度、强度及稳定性的要求，对结构设计具有较高的指导意义。

1　人字架结构构成

本文所研究的人字架分为前撑杆、后拉杆、及中部撑杆三部分，由销轴铰接为一个整体。前撑杆截面为H型，翼缘宽，承弯能力强，侧向刚度大。后拉杆截面最初方案为H型，后改为箱型，传力均匀，强度及刚度大。中部撑杆也按照H型截面设计。人字架所有材料均选用Q345B.

初步设计时，人字架上的滑轮分为上下两排布置，上部滑轮为变幅滑轮，下部滑轮为主、副起升滑轮（如图1（a）所示）。结构优化后的人字架，所有滑轮同轴布置（如图1（b）所示）。

图1　人字架构成

2　载荷计算及载荷工况

对人字架而言，主要受变幅绳拉力、主钩吊载的起升绳拉力、副钩吊载的起升绳拉力。钢丝绳在各滑轮上的卷绕方式不同，滑轮受力也不同。起升绳力受载荷大小的影响，变幅绳力随载荷大小和臂架幅度而变化。与其它类别的起重机相比较，门座起重机有其工作的特殊性，即在一定的幅度范围内，能够吊载最大载荷。因此，选择几种典型的工况进行受力分析：最大起重量最小幅度工况、最大起重量下的最大幅度工况、最大幅度工况。计算时，起重机及其部件的位置、载荷的影响、风载荷的方向，取最不利方向和作用效果的组合［2-3］。具体载荷组合如表1所示。

表1　载荷组合表

表1中选用系数分别为：φ1为起升系数，φ2为动载系数，φ4为运行冲击系数，φ5为变速运行载荷系数。

在载荷组合中，A1、B1、B3工况的受力大于其它载荷组合，在此仅以B1工况、且主钩吊载的情况为例，列出人字架各滑轮受力。设X向为水平，指向回转中心为正向；垂直向上为Y向正向，具体如表2所列。

表2　B1工况各滑轮受力表

3　有限元分析

3.1模型建立及载荷施加及边界条件

人字架钢结构部分由板焊接而成，故采用shell63单元建模。三个部件分别建模，在每个安装铰耳结构的中心建刚性节点，与耳板轴孔处的节点建立刚性区域。并对两个需要铰接的刚性区域的主节点进行耦合，放开绕轴向转动的自由度。考虑到人字架上所属扶梯走台等附属件的质量，以增加密度的方式对模型进行质量等效。

滑轮轴采用beam188单元建模，两端与前撑杆安装孔处的节点之间建刚性区域。为符合实际受力情况，将滑轮轴按滑轮的分布位置进行分段，在每个滑轮中心所在平面与轴线交点处的节点上施加集中载荷。各工况下滑轮受力不同，所加载荷亦不相同。人字架共计14个滑轮，使用命令流对各节点加载更为方便。

人字架与转台安装的四个铰点，放开绕轴向的转动，约束其余位移及旋转自由度（如图2所示）。

图2　滑轮双排布置的有限元模型

3.2计算结果及结构优化

对载荷组合表中的各种工况均进行了有限元分析，在此仅以受力最大的B1工况为例，当人字架的起升滑轮和变幅滑轮分上下两排布置时，分析最大起重量最小幅度（18 m）工况、最大起重量下的最大幅度（25 m）工况、最大幅度（45 m）工况的强度和刚度。计算结果显示，18 m幅度最大应力145 MPa，最大位移25 mm；25 m幅度最大应力188 MPa，最大位移32mm；45 m幅度时最大应力173 MPa，最大位移36 mm.三种工况下，45 m幅度时的一阶屈曲结果最小，为5.788，稳定性满足要求。安全系数按1.34选取，板厚16～35 mm的Q345B材料许用应力为243 MPa，因此所设计的结构强度满足要求。

但通过对比发现，最大幅度工况与其它两种工况下的前撑杆变形趋势不同（如图3所示）。最大幅度（45 m）工况下，上部变幅滑轮所受合力大于下部起升滑轮合力，前撑杆前侧受压后侧受拉。另两种工况下，上部变幅滑轮所受合力小于下部起升滑轮合力，前撑杆前侧受拉后侧受压。前撑杆如果长期受两种变形趋势的交替作用，易使材料提前发生疲劳。

（续下图）

（续上图）

图3　滑轮分上下两排布置时各幅度下最大位移分布云图（放大100倍）

因此修改滑轮结构布置方式，将起升滑轮和变幅滑轮同轴布置，达到无论臂架在何种工况下工作，前撑杆的变形趋势都是一致的。并且将后拉杆截面由H型改为箱型。更改后的人字架结构B1工况计算结果为：18 m幅度最大应力90 MPa，最大位移21 mm；25 m幅度最大应力136 MPa，最大位移32 mm；45 m幅度时最大应力154 MPa，最大位移37 mm.三种工况下，45m幅度时的一阶屈曲结果最小，为4.463，稳定性满足要求（如图4图5所示）。

（续下图）

（续上图）

图4　滑轮同轴布置时各工况下最大位移分布云图（放大100倍）

图5　45m幅度下最大应力分布云图（放大20倍显示）

4　结束语

本文的研究结果表明，人字架起升滑轮和变幅滑轮的布置方式对结构受力有很大影响。在空间不受限制的前提下，同轴布置更为合理，避免结构件在交变力的作用下提前达到疲劳。利用有限元计算分析，可以直观地得出结构件应力、位移、及稳定性的变化趋势，为设计提供依据，其结果是可行的。

［1］GB/T3811-2008，起重机设计规范［S］.

［2］顾迪民.工程起重机［M］.第二版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［3］张质文.起重机设计手册［M］.北京:中国铁道部出版社，1998.

The Influence of Pulleys Arrangementon A-frame upon StructuralDeformation

HOU Na1，TANWei1，WANG Shi-rou2，HUANG Jing-nan1，XU Ping2
（1.Dalian Huichang Marine Engineering Technology Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116019，China 2.Dalian Yiliya Engineeringmachinery Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116023，China）

In this paper，an A-frame analysis is conducted by using mechanics and then A-frame models are established with the finite element analysis software ANSYS.After that the maximum stress，the maximal displacement，stability aswell as the deformation tendency are analyzed after loading forces to A-frame under typical working conditions.On the basis of visual Finite？Element calculation，it is confirmed that when lifting pulleys and luffing pulleys are separately arranged，material fatiguewill be easily caused.Consequently I refine the structure by arranging the lifting pulleys and luffing pulleys into coaxial position and conduct a second finite element analysis. The result shows that the deformation trend is good，moreover the strength，stiffness and stability all meet the engineering requirements.Accordingly this research can provide theoretical guidance for structural design.

herringbone frame；finite element analysis；pulley arrangement

TH213.5

A

1672-545X（2016）05-0039-03

2016-02-06

侯娜（1975-），女，吉林人，学士学位，工程师，主要从事机械设计与计算分析。