某10t门式起重机箱形主梁结构设计计算

黄伟莉，符剑德，范芳蕾，张克义

（1.东华理工大学机械与电子工程学院；2.南昌凯马有限公司，江西 南昌 330013）

起重机作为重要的专用物流运输设备，已被广泛应用于现代工业生产的多个行业领域。为了满足起重机多目标、高精度、多速度、高效率运行的要求，对其金属结构的设计要求也越来越高。金属结构是否满足强度、刚度和稳定性的要求，将直接影响整机的技术经济指标，对整机的安全性能也起着非常重要的作用。本文以某公司10t轨道式集装箱门式起重机的主梁结构为研究对象，采用经典的强度设计理论，对箱型主梁进行工程结构设计和力学分析。

1 主梁结构设计

1.1 起重机主要技术参数

10t-45m双梁门式起重机的门架结构主要由主梁、端梁、刚性支腿、柔性支腿、下横梁、小车架、走台栏杆、司机室以及电气设备等构成，结构简图如图1所示。其中，起重机主要技术参数如下：额定起重量10t,起升高度23m，工作级别为M5，主梁跨度45m，单侧有效悬臂7m，最大悬臂10m，小车运行速度为60m/min，大车运行速度为80m/min。

图1 门架结构简图

1.2 主梁截面几何参数设计

在起重机结构中，由于箱形结构具有通用性强、抗扭性好、制造工艺简单、便于实现自动焊等优点，箱型结构成为双梁小车式桥架型起重机主梁的主要形式。箱形梁结构主要由上下翼缘板、左右腹板、横隔板和加强筋等钢板焊接而成，中间截面几何特征如图2所示。

图2 主梁中间截面

在箱形主梁的设计过程中，合理确定梁高是主梁截面参数选择的关键。确定主梁最优几何截面尺寸，常采用简化优化方法，即根据主梁的强度和刚度条件确定梁高等参数。但在实际的工程设计中，要同时实现强度和刚度指标都达到许用值的目标通常较难，因此，可以选择其中一个参数满足许用值，而另外一个则可以冗余一些来进行设计。根据现有推荐的主梁高跨比选取范围：

选取主梁梁高h=2300mm，据B=(0.6～0.8)h，取上翼缘板宽度B1=1500mm，下翼缘板B2=1400mm，由局部稳定性条件决定，受压翼缘板厚度t=8mm。

目前，起重机主梁越来越多采用偏轨箱形构造，相比半偏轨构造，偏轨箱形构造具有如下优点：由于主、副腹板受力不同，副腹板厚选取可比主腹板小，同时可省去支承轨道而设的梁内部众多短加劲板，明显改善主梁上盖板的焊接变形以及波浪变形，焊接下挠变形量也较小，可实现主梁的减重。根据起重量要求，选取主腹板δ1=8mm，副腹板δ2=6mm，两腹板间距b=1340mm。该截面几何特性计算如下：hx=1176.6mm，hy=737.69mm

2 主梁的强度计算

据设计手册，起重机主梁按第Ⅱ类载荷组合进行强度计算。带挠性支腿的门机在门架平面属于静定支承刚架，其主梁在垂直及水平平面内均可按简支外伸梁来计算内力。

本门机主梁结构的材料选用Q235-B，其密度为ρ=7850kg/m3，弹性模量E=206GPa，泊松比取ν=0.3。根据起重机的工作级别要求和计算载荷组合类别，可确定其安全系数n=1.33，故材料的许用应力为[σ]=σs/n=176.7MPa,许用切应力[τ]=102.55MPa。

2.1 垂直平面的主梁弯矩

主梁在垂直平面内，主要承受主梁自重、小车和固定载荷等作用，其简化力学模型受力分析如图3所示。

单根主梁自重G=34.8t，以均布载荷分布，小车自重24t，门架跨度L=45m，单侧悬臂总长l=10000mm，有效悬臂长l有效=7000mm，冲击载荷取φ4=1.18。

主梁单位重量：

图3 主梁跨中垂直方向简化受力图

单根主梁上受到的集中力：

在本次分析中，选取满载小车位于跨中处(工况一)和满载小车位于有效悬臂处（工况二）两个不同的工况进行分析。

当满载小车位于跨中(工况一)，主梁跨中产生的垂直弯矩为：

当满载小车位于有效悬臂处（工况二），在悬臂根部产生的垂直弯矩为：

由于工况二的弯矩小于工况一的弯矩，因此，主梁的跨中截面为危险面，并作为计算截面。

2.2 水平面主梁弯矩

主梁在水平平面内所受的主要载荷有主梁均布惯性载荷、小车惯性载荷及风载荷等。主梁跨中截面水平弯矩为：

式中：qH为主梁均布水平载荷（N/mm）；PH为小车集中水平载荷（N）。

2.3 主梁静应力校核

在主梁的跨中危险截面中，上、下翼缘板与腹板连接处同时作用正应力和挤压应力等复合应力，需进行强度校核。

主梁上翼缘板外侧点静应力：

主梁主腹板与上盖板连接处静应力

式中：

主梁下翼缘板与副腹板连接处静应力：

综上，主梁静强度满足要求。

根据设计规范，对工作级别为A6以上的起重机需进行疲劳强度验算，故本门机主梁无须验算疲劳强度。

3 主梁的稳定性计算

3.1 整体稳定性

由于门机主梁为箱形封闭截面，且主梁高宽比

故主梁的整体稳定性满足要求。

3.2 腹板的局部稳定性

属于高复板，可加多道纵向加劲肋确保局部稳定。

3.3 受压翼缘板的局部稳定性

箱形梁的受压翼缘板可通过控制其宽厚比来实现局部稳定性。

需加两条纵向加强筋保证其局部稳定。

3.4 主梁的静刚度计算

本门机主梁按简支外伸梁计算静挠度。

根据GB/T 3188—2008《起重机设计规范》规定，满载小车位于主梁跨中处（工况一）的静刚度允许值：

本门机在工况一处主梁的最大静挠度值为：

故主梁在工况一处的刚度满足要求。

根据GB/T 3188—2008《起重机设计规范》规定，满载小车位于有效悬臂端（工况二）的静刚度允许值：

本门机在工况二处主梁的最大静挠度值为：

故主梁在工况二处的静刚度也满足要求。

4 结语

本文以集装箱门机的主梁结构为研究对象，从其几何截面尺寸参数设计入手，结合现有技术标准规范，对其强度、刚度和稳定性等方面指标进行了分析和校核计算。结果显示，主梁的最大应力及挠度均小于许用值，主梁结构强度和刚度满足设计要求。同时，最大应力及挠度都具有较大的富余储备，为主梁结构的进一步优化设计提供了一定的参考。