電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

侯先啟,，任 遠(yuǎn)

（長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司,，山西 長(zhǎng)治 047100）

摘要：針對(duì)橋式起重機(jī)在靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，以某電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)為對(duì)象,，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,，在A(yíng)NSYS Workbench中得到其結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力分布和變形情況，并獲得結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和剛度,，發(fā)現(xiàn)工字鋼與連接板連接處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,，并對(duì)該問(wèn)題提出合理建議。

關(guān)鍵詞：單梁橋式起重機(jī),；力學(xué)分析,；有限元

0 引言

橋式起重機(jī)是起重機(jī)械的一個(gè)主要類(lèi)型，它主要用來(lái)在固定的車(chē)間內(nèi)裝卸和搬運(yùn)物料,。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大及自動(dòng)化程度的提高,，對(duì)橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)使用的起重機(jī),，是以傳統(tǒng)的工程力學(xué)為基礎(chǔ),，結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)大量的簡(jiǎn)化處理,，計(jì)算出所需的強(qiáng)度和剛度［1］,。手工計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性差,。本文利用三維軟件SolidWorks生成某電動(dòng)單梁起重機(jī)的整體模型,，再將幾何模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行強(qiáng)度及剛度分析，確定應(yīng)力集中位置,，并對(duì)主梁的設(shè)計(jì)提出合理的建議,。

1 橋式起重機(jī)三維模型的建立

本文以5t/22.5m電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)為研究對(duì)象。該起重機(jī)由單主梁,、端梁,、電動(dòng)葫蘆、電氣設(shè)備和運(yùn)行機(jī)構(gòu)等部件組成,。以SolidWorks為平臺(tái)建立的橋式起重機(jī)三維模型［2］如圖1所示,。

圖1 電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)三維模型

1-運(yùn)行機(jī)構(gòu)；2-主梁,；3-電動(dòng)葫蘆,；4-端梁

單梁橋式起重機(jī)的端梁作為獨(dú)立構(gòu)件與主梁通過(guò)螺栓法蘭連接，連接法蘭通過(guò)8個(gè)精制螺栓與端梁連接。由于主梁與端梁連接處彎矩較大,，主要通過(guò)連接法蘭與端梁水平接觸承受剪切力,，此外精制螺栓除了起連接作用以外，也承受了部分剪切力,。

單梁橋式起重機(jī)的主要性能參數(shù)如下：起升重量為5t，跨度為22.5m,，大車(chē)運(yùn)行速度為20m/min,，電動(dòng)葫蘆起升速度為8m/min，起升高度為6m,，工作級(jí)別為A4,。

2 靜力學(xué)分析

2.1 模型導(dǎo)入

建立的電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)模型是否合理將直接影響有限元前處理的時(shí)間長(zhǎng)短以及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，由于完整起重機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,，在導(dǎo)入ANSYS Workbench前應(yīng)將三維模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,，然后將簡(jiǎn)化后的三維模型直接導(dǎo)入。

2.2 材料屬性的定義

電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼,，其彈性模量為2.06×105MPa,，泊松比為0.3。2.3 劃分網(wǎng)格

由于模型某些部件尺寸較大,，因此采用單個(gè)部件分別劃分網(wǎng)格的方法,，分別定義各個(gè)部件網(wǎng)格的尺寸，主梁與端梁連接處細(xì)化網(wǎng)格,。劃分網(wǎng)格后,，模型共有101 240個(gè)節(jié)點(diǎn)、26 476個(gè)單元,。

2.4 施加約束和載荷

根據(jù)實(shí)際情況,，對(duì)兩側(cè)端梁下表面分別施加位移約束，但不施加旋轉(zhuǎn)約束,。滿(mǎn)載電動(dòng)葫蘆通過(guò)車(chē)輪施加到主梁上的壓力以集中力的方式施加到電動(dòng)葫蘆輪壓附近的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,，即將載荷作用節(jié)點(diǎn)附近的一小塊平面設(shè)為加載平面［3］。

起重機(jī)起重量為5t,，電動(dòng)葫蘆質(zhì)量為0.32t,，考慮其起升動(dòng)載系數(shù)為1.07，則各個(gè)電動(dòng)葫蘆輪壓P=（5 000×1.07+320）×9.8/4=13 891.5N,。加載位置分別為跨中,、1/4跨以及跨端相應(yīng)的位置，方向垂直向下,。

2.5 有限元計(jì)算及結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)有限元分析,，得出橋式起重機(jī)跨中、1/4跨、跨端在載荷作用下的變形及應(yīng)力云圖,。圖2,、圖3分別為橋式起重機(jī)在跨中載荷作用下主梁變形圖和應(yīng)力云圖，圖4為主梁與端梁連接處的應(yīng)力云圖,。

取安全系數(shù)為1.33,，Q235鋼的最大許用應(yīng)力［σ］= 235MPa/1.33=176.7MPa。當(dāng)滿(mǎn)載電動(dòng)葫蘆位于跨中,、1/4跨和跨端時(shí),，該起重機(jī)的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在主梁和端梁連接處，最大應(yīng)力為130.18MPa,，小于材料的許用應(yīng)力,。主梁在豎直方向最大位移為10.123mm，即主梁的撓度f(wàn)=10.123mm,，小于該起重機(jī)的許用撓度［f］=28.12mm（［f］≤L/800,，其中，L為主梁的跨度,，L=22.5m）,，所以撓度符合要求。

圖2 跨中載荷作用下主梁變形云圖

圖3 跨中載荷作用下主梁應(yīng)力云圖

圖4 主梁與端梁連接處應(yīng)力云圖

經(jīng)過(guò)對(duì)滿(mǎn)載電動(dòng)葫蘆從跨中到跨端不同位置的多次加載求解,，得出整機(jī)的最大應(yīng)力和最大位移隨電動(dòng)葫蘆所在不同位置的變化情況,。

設(shè)滿(mǎn)載電動(dòng)葫蘆在跨中時(shí)為“0”位，圖5和圖6分別為滿(mǎn)載電動(dòng)葫蘆從跨中開(kāi)始往跨端運(yùn)動(dòng)時(shí)起重機(jī)出現(xiàn)的最大應(yīng)力和最大位移的變化,。

從圖5,、圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)葫蘆位置從跨中向跨端變化時(shí),，橋架的最大應(yīng)力值以及最大位移逐漸減小,，滿(mǎn)載電動(dòng)葫蘆在跨中時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的應(yīng)力最大,，若將連接貼板向行走輪兩側(cè)延伸10mm～20mm,，將顯著地降低主梁與端梁連接處的應(yīng)力值，提高結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),。

圖5 不同位置最大應(yīng)力變化

圖6 不同位置最大位移變化

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)起重機(jī)進(jìn)行有限元分析,，得到了以下結(jié)論：①該起重機(jī)最大應(yīng)力小于其材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,；②主梁的靜撓度也在其許用范圍之內(nèi),，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；③主梁與端梁連接處應(yīng)力較大,，將連接貼板向行走輪兩側(cè)延伸10mm～20mm,，將顯著地降低該處應(yīng)力值,，使結(jié)構(gòu)更加安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 吳麗萍.我國(guó)起重機(jī)新技術(shù)的進(jìn)展與國(guó)外發(fā)展動(dòng)向［J］.山西機(jī)械,，2002（4）：51-52.

［2］ 魏國(guó)前,，葉國(guó)平.基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的LDA起重機(jī)主梁設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（5）：81-83.

［3］ 楊榮柏,，謝月云,，鐘華珍.機(jī)械結(jié)構(gòu)分析的有限元法［M］.武漢：華中工學(xué)院出版社，1986.

Mechanical Analysis of Electric Single-beam Bridge Crane’s Structure

Abstract：To the problem of bridge crane’s static strength,，the overall structure of an electric single-beam bridge crane was analyzed by using the mechanical technique.The stress distribution and deformation condition were computed by ANSYS Workbench under different working conditions,，and the structure’s static strength and rigidity were obtained.The stress concentration phenomenon in the I-beam and connecting plate was found and some reasonable suggestion was put forward.

Key words：single-beam bridge crane；mechanical analysis,；finite element

HOU Xian-qi,，REN Yuan
（Jingfang Coal Industry Co.,，Ltd.,，Changzhi 047100，China）

中圖分類(lèi)號(hào)：TH215∶TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6413（2016）01-0060-02

收稿日期：2015-04-27,；

修訂日期：2015-12-01

作者簡(jiǎn)介：侯先啟 （1965-）,，男，山西長(zhǎng)治人,，工程師,，大專(zhuān)，主要從事煤礦生產(chǎn)管理工作,。