引言

隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)力的逐步提高,人們對于起重機的要求也不再僅僅是能搬運,而是在工作效率、使用維護成本等各方面都有更為具體的要求。基于以上原因,起重機的生產(chǎn)商不僅需要能夠生產(chǎn)制造,還要能夠快速設(shè)計,并綜合協(xié)調(diào)成本、速度及安全等各方面的因素。起重機是一種能在一定范圍內(nèi)垂直起升和水平移動物品的機械,動作間歇性和作業(yè)循環(huán)性是起重機工作的特點。起重機在國民經(jīng)濟各部門都有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用,在現(xiàn)代化生產(chǎn)中占有重要地位。根據(jù)起重機自身結(jié)構(gòu)的不同,常見的起重機可以分為輪式起重機、履帶式起重機、塔式起重機、橋式起重機和門式起重機等。其中,橋式起重機是起重設(shè)備中使用范圍最廣、生產(chǎn)數(shù)量最多的起重機之一,這也意味著對橋式起重機的性能、參數(shù)、穩(wěn)定性要求更高。因此,橋式起重機的設(shè)計需要有相應(yīng)的發(fā)展與創(chuàng)新。與傳統(tǒng)力學(xué)分析方法相比,有限元分析方法可以使得計算結(jié)果更精確,并且可對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行整體分析。

1橋式起重機設(shè)計參數(shù)

起重機的技術(shù)參數(shù)是反映起重機作業(yè)能力的重要指標,是設(shè)計起重機最基本的要求和參考依據(jù)。起重機的技術(shù)參數(shù)主要包括工作級別、額定起升重量、起升高度、起升速度、主梁跨度、小車軌距、小車運行速度等,本文所討論的起重機設(shè)計參數(shù)如表1所示。

橋式起重機橋架主要由主梁、端梁、欄桿、走臺、軌道和操作室等構(gòu)件組成。起重機主梁的主體是由上下翼緣板和左右腹板焊接而成的箱形梁,主梁內(nèi)部均勻設(shè)置了加勁板,加勁板在起重機工作時可以承受部分負載來維持箱體形狀,以滿足主梁的穩(wěn)定性要求。

由于橋式起重機結(jié)構(gòu)巨大且復(fù)雜,在實際工作過程中承受的載荷較大,所以若考慮所有的影響條件,將會使得該起重機有限元分析比較困難。因此,主梁模型簡化正確與否、合理與否直接關(guān)系到有限元計算結(jié)果。

起重機主梁的結(jié)構(gòu)圖、截面圖及各尺寸參數(shù)分別如圖1、圖2及表2所示。在起重機工作時,主梁是最重要的受力部件之一,此外,起重機主梁體積大、重量大、優(yōu)化空間大,因此本文以起重機主梁為研究對象,進行靜力學(xué)分析。

2橋式起重機主梁靜力學(xué)分析

2.1有限元模型及網(wǎng)格劃分

由于主梁結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,故需要從以下三個方面來對其進行簡化:

(1)主梁上的一些諸如螺栓、螺母、螺釘、掛鉤等起裝飾、連接作用或非承載構(gòu)件等忽略掉,它們對安全性的影響相對較小,簡化這些構(gòu)件能使模型更加清晰直觀,同時方便網(wǎng)格劃分和受力分析。

(2)忽略螺栓孔、螺釘孔以及鉚接孔等,它們并不能對主梁受力情況產(chǎn)生影響,反而會影響到網(wǎng)格劃分,使有限元網(wǎng)格變得更為復(fù)雜,甚至還會影響軟件計算分析,使分析結(jié)果出現(xiàn)誤差。

(3)忽略掉內(nèi)部加強筋板。雖然主梁的筋板能夠起到承受載荷、保持主梁箱體的形狀不變的作用,但在本文對主梁的優(yōu)化研究中,其對于主梁影響比較有限,故在建立三維模型時可以將其忽略。

簡化后的模型如圖3所示。

圖3簡化后的模型

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié),劃分網(wǎng)格的方式將直接影響計算速度和結(jié)果精度。網(wǎng)格劃分成功后,得到有限元節(jié)點Nodes總數(shù)92314個,單元Elements總數(shù)14842個,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

2.2材料屬性

橋式起重機主梁為鋼材,材質(zhì)為Q235,含碳量為0.14%~0.22%,屬低碳鋼。Q235的屈服強度為235MPa,彈性模量E=2×102GPa,泊松比μ=0.3,密度p=7.85×103kg/m3。

2.3約束條件施加

在橋式起重機的設(shè)計過程中,起重機主梁是典型的關(guān)鍵承力件,當(dāng)起重機實際工作時,主梁的兩端是固定在端梁上的,然后通過小車及吊具將物體提升至需要的位置,所以在施加約束時,選擇對主梁兩端施加全約束,即主梁兩端面固定不動:將主梁自重、移動載荷以集中力形式施加在主梁的跨中處,為方便施加載荷,在主梁跨中處添加一個印記面。在完成載荷與約束的施加后,分別計算主梁的等效應(yīng)力和等效位移。

對起重機主梁施加的載荷與約束如圖5所示,對主梁兩端施加固定約束(Fixed Support),對主梁施加自重載荷和起升載荷(self-weightloadanduploadload)。

2.4結(jié)果分析

通過對起重機主梁進行靜力學(xué)分析求解運算可得,在極限工況下,起重機主梁的最大應(yīng)力為144.19MPa,位于下滑桿孔兩側(cè)的表面上,如圖6所示,梁跨中處最大等效位移為2.9674mm,如圖7所示。由圖6和圖7分析可知,基于傳統(tǒng)設(shè)計的起重機主梁強度與剛度均足夠,能夠滿足橋式起重機的實際工作需求,但起重機主梁有很大部分所受應(yīng)力及變形都比較小,材料冗余量較大,存在很大的優(yōu)化空間。

3結(jié)論

(1)無論是在正常情況下,還是在危險情況下,橋式起重機的主梁跨中位置都存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,是探傷檢測的重要部位,也是橋式起重機薄弱部位。

(2)在危險工況下,主梁上下翼緣板的兩端及跨中處所受應(yīng)力相對較大,主梁上下翼緣板在起重機運行過程中是主要的承重部位,其對主梁性能的影響更加明顯。

(3)基于有限元分析方法對橋式起重機進行力學(xué)分析,可以在產(chǎn)品研發(fā)出來之前對主梁的應(yīng)力和變形有一個大致的了解,同時縮短產(chǎn)品設(shè)計周期,節(jié)約設(shè)計成本,因而具有一定的現(xiàn)實意義。