（机械电子工程专业论文）450t偏轨式提梁机结构分析与优化设计.pdf

摘要 本文以用于高速铁路桥梁架设用的4 5 0 t 偏轨式提梁机为研究对象，对其进行了结 构参数设计、强度分析和优化设计。主要研究内容如下： ( 1 ) 通过分析偏轨提梁机的结构形式及其工作工况，依据起重机设计手册中 的设计计算方法确定了主梁和支腿的各个设计参数； ( 2 ) 利用大型有限元分析软件a n s y s 建立偏轨提梁机的有限元模型，对其进行结 构的静强度、静刚度、稳定性分析，验证了结构的强度、刚度、稳定性满足设计要求， 并对其进行了模态分析，得到了该提梁机的前五阶频率和振型，为结构的优化设计提供 了基础； ( 3 ) 结合有限元分析结果和起重机工作装置的力学规律，以提梁机主梁结构的自 重作为目标函数，采用遗传算法，利用m a t l a b 工具箱编写计算机程序进行优化，得 到提梁机主梁参数的最优解，优化后的主梁结构自重减少了1 1 8 ； ( 4 ) 将优化后得到的尺寸圆整后重新在a n s y s 中建模进行计算，验证优化后结构 的强度、刚度及稳定性。将优化分析结果与设计阶段的分析结果进行对比，验证了提梁 机优化设计方案的合理性与可靠性。 本文的研究成果为该提梁机的研发提供了技术支持，也可为同类产品的设计与优化 提供参考。 关键词：偏轨提梁机，结构设计，有限元分析，遗传算法，优化设计 a b s t r a c t 4 5 0 tb a i s r a i lg a n t r yc r a n ef o rh i g hs p e e dr a i l w a yi st a k e na st h es t u d yo b j e c ti nt h e d i s s e r t a t i o n ，a n ds t r u c t u r a ld e s i g n ，i n t e n s i t ya n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g na r es t u d i e d t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b ys t u d y i n gt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gs i t u a t i o n so ft h eb a i s r a i lg i r d e ra n da c c o r d i n g t ot h ed e s i g nm e t h o do fc r a n ed e s i g nm a n u a l , t h ev a r i o u sd e s i g np a r a m e t e r so ft h em a i n g i r d e r sa n dl e g sa r ca s c e r t a i n e d ( 2 ) t h em o d e lo fb a i s - r a i lg a n t r yc r a n ei se s t a b l i s h e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y s ，a n ds t a t i cs t r u c t u r ei n t e n s i t ya n a l y s i sa n ds t a b i l i t ya n a l y s i sa r ec a r d e do u t t h es t a t i c i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yo fm e t a ls t r u c t u r ea r cv e r i f i e da n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h e n t h em o d a la n a l y s i so fg a n t r yc r a n ei sm a d ei nt h i sp a p e r , t h ef i r s tf i v en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d a d d i t i o n a lv i b r a t i o nm o d eg r a p h sa r eg a i n e d t h e s er e s u k sp r o v i d et h eb a s i sf o ro p t i m i z a t i o n d e s i g n ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff i n i t ea n a l y s i sa n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fg i r d e r , t h e w e i g h to fm a i ng i r d e r si ss e ta st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n g e n e t i ca l g o r i t h mi su s e d ，a n dt h e o p t i m a ld i m e n s i o n so ft h em a i ns e c t i o na lef i n a l l yo b t a i n e db ym a k i n gu s eo ft h eg e n e t i c a l g o r i t h mt o o l b o x i nm a t l a bs o f t w a r e t h ew e i g h to fm a i ng i r d e r si sr e d u c e db y11 8 p e r c e n ta f t e ro p t i m i z a t i o n ( 4 ) an e wm o d e li se s t a b l i s h e da n dc a l c u l a t e da g a i ni na n s y s s o f t w a r ea f t e rr o u n d i n g t h ed i m e n s i o n sw h i c ha r co p t i m i z e d c o m p a r i n gt h er e s u l t so fo p t i m i z a t i o nw i t ht h eo n e so f t h eo r i g i n a ld e s i g n ，i ts h o w st h a tt h eo p t i m i z a t i o np r o p o s a li sr e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e t h er e s u l t so ft h es t u d y p r o v i d et h et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h eg a n t r yc r a n ea n dr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o nf o rt h es i m i l a rp r o d u c t s k e yw o r d s ：b a i s - r a i lg a n t r yc r a n e ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 不断发展的社会的进步和技术以及高效益和高效率对各个施工企业对的要求，使得 整体吊装作业越来越受到施工单位的欢迎，这些都带来的是施工作业对吊装用起重机的 起重能力、作业幅度和高度等方面的要求越来越苛刻，市场对大型起重机需求的也随之 增长很快。而已经是起重机械的重要分支的门式起重机，在露天物料搬运中是被大量使 用的装载起重机械之一，它比起别的起重机，它存在独特的优点，例如起重量大、作业 空间大、货场面积利用率高、装卸效率高、基建投资少，运行成本低等。因此，它被广 泛用在工矿、交通运输以及工程建设等部门，特别是在铁路货场的装卸作业中发挥着举 足轻重的作用。在目前的国内铁路装卸市场，门机的装卸量占总作业量的4 0 左右，机 械总作业量的份额更达到6 0 左右，成为完成装卸任务的主要机型之一。同时，门机也 成为与连续输送机械一起组成机械化装卸系统的关键机种。在国际工业发达的国家，不 但机械作业比重大，而且机械作业己实现了体系化、专业化和自动化，所以门式起重机 已被列为改、扩建综合性货场、集装箱货场和散料货场的主要配套机种，应用前景非常 宽广【l , 2 , 3 , 4 1 。 随着社会经济的高速发展，铁路运力不足的矛盾日益突出。为缓解这一矛盾，国家 决定大力修建高速铁路。而提梁机作为门式起重机的一种，是一种为桥梁建设而专门 设计的一种门式起重机。提梁机的要求是速度慢、重量较轻，安全性要求高。提 梁机一般主要由拼装式主梁、支腿、天车等组成，构件间采用销轴或高强螺栓连 接，易于拆装、运输；与普通门式起重机相比，安装方便快捷，经济实用。在高速 铁路桥梁建设中，更是预制箱梁现场架设施工中不可缺少的重要设备，因此提梁机在提 高施工效率方面扮演着越来越重要的角色【5 】。加上建设高速铁路客运专线是我国中长 期铁路网规划的最主要内容，2 0 2 0 年建成客运专线一万千米，形成“四纵四横 的客 运专线骨架；建成环渤海圈、长江三角洲、珠江三角洲地区快速客运系统铁路两千千米。 “十一五”是我国大规模建设高速铁路的关键阶段，其中高速客运专线项目有2 8 个， 完成了9 8 0 0 千米客运专线的建设任务；建设了京沪、京广、京哈、沈大、陇海等高速 客运专线【6 j ；建设京津、沪宁、沪杭、宁杭、广深、广珠等一线大城市群的城际轨道交 通系统，建设总投资共计1 2 5 万亿元人民币。2 0 0 6 年客运专线项目新开工1 3 个、续建 1 1 个，目前在各高速客运专线上建设的单位正如期进行施工作业。在这样的大好背景下， 提梁机作为一种用于在制梁台座与存梁台座、存梁台座与运梁车之间移动预制箱梁的起 第一章绪论 重设备，在高速铁路的建设中占有不可替代的地位f 7 1 。在所要建设的高速铁路全线中高 架桥要占到8 0 以上，除了那些跨越江河、跨越既乍j 铁路和公路的大跨度桥梁之外，绝 大部分采用的是中小跨度桥梁，即采用整孔预制的双线简支箱梁及小跨度连续梁，主要 包括3 2 m 、2 4 m 、2 0 m 整孔预制的双线简支箱梁【8 】。本文所研究的提梁机是与架桥机、 运梁车相配套的大型专用设备，主要用于通过将梁场预制的混凝土梁吊至桥面上的运梁 车上，再由运梁车将预制梁运送到架桥机主场。它配置支腿行走、天车行走及天车起 吊设备，可以实现全方位机械化动作。与此同时，还能完成架桥机、运梁车在梁场的 组装及拆卸工作。现今为了满足国家高速铁路的规划和国民经济发展的需要，提梁机正 在向大型化、专用化、高效化的方向发展。但是，国内现行的提梁机设计中存在着结构 笨重、材料浪费等问题，为了保证结构安全可靠又节约钢材降低成本，对本文所设计的 提梁机钢结构进行强度、刚度研究分析，并优化其结构，对提高提梁机设计的效率以及 降低成本都具有重要的意义【9 】。 1 2 起重机的国内外研究现状 1 2 1 国外现状 物料搬运经过了五千多年的发展历程，因此是组成人类生产活动的重要部分f 1 0 】。生 产规模的扩大使得物料搬运在现代化生产过程中的应用越来越广泛，自动化程度的提高 也促使物料搬运的作用越来越大1 1 1 。据统计，在美国，物料搬运费用占每百元工业产品 成本的份额要达到2 0 2 5 美元。在英国，物料搬运的费用占每年用于工厂及工地的金额 要高达1 0 亿英镑，相当于全国支出的九分之一。在前苏联，每一年要支付运输费用更 高达8 6 7 亿卢布，装卸费用就占了2 1 7 亿卢布，占总支付运输费用的四分之一。曾经， 德国d e m g a 公司对此作过详细统计，统计显示并证实生产费用的4 5 都用于了物料搬 运( 其中3 0 用于工序间的物料搬运，剩下的1 5 用于工序内的物料搬运) 。在我国， 东风二汽汽车厂也对物料搬运的费用做过统计，调查显示在工厂中的加工工时中，汽车 零件的加工仅占了5 ，对零件的搬运和储存占了其它9 5 的工时 1 2 , 1 3 l 。由这些事例我 们可以看到，起重机作为物料搬运设备重要组成部分，它的需求量是十分可观的，所以 起重机行业有着广阔的应用和发展前景。 对于国外的起重机来说，应用体系是相当成熟的。因为他们早在2 0 世纪6 0 年代就 对起重机开始了研制，在国际上比较出名的起重机制造商有s c h e u e r l e ( 德国) 、 k a m a g ( 德国) 、g o l d h o f e r ( 德国) 、n i c o l a ( 意大利) 、d e a l ( 意大利) 、s h i n k o ( r 本) 、 n i p p o ns h a r y o ( 本) 和r a n d b u r g ( 南非) 等公司【1 4 1 。截至目前，德国、美国和日本是工程 2 长安大学硕士学位论文 n i p p o ns h a r y o ( 同本) 和r a n d b u 唱( 南非) 等公司1 1 4 1 。截至目前，德国、美国和同本足工程 起重机的设计与制造主要基地。例如有美图的格鲁夫，德国的利勃海尔，德马格以及f j 本的多田野，建机住友，加藤等轮式起重机的主要生产公司；而德国的利勃海尔、德马 格、森尼波根是履带起重机的生产厂家。这些大制造公司的产品历经几十年的风雨都已 形成国际系列化【”l 。例如作为轮式起重机主要生产厂家的利勃海尔l t m 系列、德马格 a c 系列和多田野a t f 等一系列产品，起重量从小起重量的3 0 t 到大起重量2 0 0t 、4 5 0 t ， 甚至达到7 0 0 t 和8 0 0 t 都有发展。而作为履带起重机生产代表厂家的利勃海尔l r 系列， 德马格c c 系列以及马尼托瓦克的系列产品，这三个公司的起重机产品的最大吨位也都 接近甚至超过1 0 0 0 吨级。由此可见，- 国外公司产品的起重量范围的覆盖面已很大，并 且这些公司也凭借相当成熟技术；产品在各国的起重机市场占有相当的份额。 对于物料搬运的重要设备起重机来说，它在现代化生产过程中应用越来越广 泛，在市场中的作用也越来越大，因此，在生产实际中对起重机本身的参数提出的要求 也越来越苛刻。这些社会因素促使当今的起重机向大型化、多样化、专用化、轻型化、 集成化、自动化、智能化、机电体化、模块化、个性化的方向发展。激烈的市场竞争 无疑给起重机的设计带来了更高层次的设计要求，而在起重机行业，各企业竞争的最主 要手段和途径就是设计具有创新优势的起重机产品。总之国外的起霞机相对于国内的起 重机在使用寿命、可靠性、可维修性、精密性、兼容性和操作性等都有很大的优越性【l 引。 1 2 2 国内现状 最近几年，伴随着我国固定资产投资的飞速增长、基础设施建设和大型项目的不断 实施，使得我国起重机械行业获得了空前的发展，我国已能生产各种类型的起重机。但 是由于我国高速铁路相对困外许多围家的起步较晚，这样的背景使得圈产提梁机无法较 好地满足市场需要，因此很大程度上制约了我国高速铁路的建设。所以拥有自主研发的 并且能充分满足市场需求的提梁机就成了能够快速发展我围高速铁路一个迫在眉睫的 要求。 近十几年来，国内起重机械产品随着技术的引进、消化、吸收，有了一定的发展进 步，产品的性能、可靠性、外观都有了较大幅度的改善，但同困外发达国家相比，还存 在一定的差距，就上程起匿机而言，发展方向，# 要表现在如一f j l 个方面| 1 4 j ： ( 1 ) 最大限度地利用吸收围外先进乍产技术； ( 2 ) 由于先进技术和新材料的1 矗i ) l - j ，r d 种型号的设备，整机总重量比以前要轻2 0 左右。而且随着结构分析的应用和先进设备的使用，结构形式也更加合理； 3 第一章绪论 虽然经过这些年的的发展使得圈内起囊机与图外的差距越来越小，但e i 前闼内起重机依 然存在以下几个方面的i 、u j 题i 】副： 第一，整机的可靠性以及寿命仍然远落后于国际水平，因此，产品的可靠性和大修 期的寿命是我国起重机以后的重要努力方向之一； 第二，起重机的功率匹配技术、机电液一体化水平、智能控制技术水平、静液压传 动技术等关键技术水平较国际先进技术水平还有较大差距。 在研究方法上，作为结构数值分析的有限元法，在起重机结构分析中取得了较大发 展。自1 9 7 8 年以后，国内一些单位先后引进了大型计算机和从国外移植了一些c a e 分 析程序，如n a s t r a n 、a d n i a 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、c o s m o s 等，使得有 限元分析在许多领域上得到应用，其中有很多对起重机的有限元分析【17 ，1 8 】。这些软件有 绘图及多种单元分析的能力，而且具备大容量的内外存储能力，解决问题的能力比一般 传统方法具有明显的优势，这些优势使起重机的结构产生了质的飞跃。于是起重机的有 限元分析既可以提高起重机的设计能力和改善设计水平，反过来也可以利用有限元分析 解决起重机在设计中的遇到的有关问题1 9 2 0 ，2 1 1 。 优化设计是在计算机广泛应用的基础上发展起来的- - f 3 先进技术【2 2 1 。遗传算法作为 优化设计的一种，是近几年发展起来的一种崭新的全局优化算法，它借用了生物遗传学 的观点，通过自然选择、遗传、变异等作用机制，实现各个个体的适应性的提高。这一 点体现了自然界中“物竞天择、适者生存”进化过程【2 3 ，2 4 2 s 1 。由于遗传算法的整体搜索 方略和优化搜索方法在计算是不依赖于梯度信息或其它辅助知识，反而只需要影响搜索 方向的目标函数和相应的适应度函数，所以遗传算法提供了一种求解复杂系统问题的通 用框架，它不依赖于问题的具体领域，对问题的种类有很强的鲁棒性，所以广泛应用于 许多科学【2 6 1 。函数优化是遗传算法的经典应用领域，也是遗传算法进行性能评价的常用 算例，许多人构造出了各种各样复杂形式的测试函数：连续函数和离敖函数、凸函数和 凹函数、低维函数和高维函数、单峰函数和多峰函数等。对于一些非线性、多模型、多 目标的函数优化问题，用其它优化方法较难求解，而遗传算法可以方便的得到较好的结 果【2 7 2 引。因此本文采用遗传算法对提梁机主梁进行优化。 1 3 课题来源、课题研究内容及方法 论文来源于实际课题，以用f 高铁架梁的双梁偏轨式提梁机为研究对象，以结构力 学、材料力学、有限元法、遗传算法等为理论基础，运用有限元软件a n s y s 对提梁机 4 长安大学硕：t 学位论文 进行有限元分析，并对主梁进行结构优化设计。主要研究内容如下： ( 1 ) 分析偏轨提梁机的结构形式及其工作原理，结合起重机设计手册，确定整机 的各设计参数： ( 2 ) 利用大型有限元分析软件a n s y s 建立了偏轨提梁机的有限元模型，确定其工作 工况，对其进行结构强度、刚度分析，并进行稳定性和模态分析； ( 3 ) 综合有限元的分析结果和起重机工作流程，把提梁机主梁自重当作目标函数，设 计变量为提梁机主梁截面的五个参数，经过推导，最终得到优化提梁机主梁自重的数学 模型。以上述所得到优化主梁的数学模型，利用遗传算法，在m a t l a b 中编写m 文件 对其进行优化，获得提梁机主梁截面参数的最优解，最终主梁自重减少了1 1 8 ； ( 4 ) 通过分析优化结果，圆整最终优化的参数，再次在a n s y s 中建模进行有限元 分析，保证经过遗传算法优化后，结构的强度和刚度满足设计过规范的要求。最后把优 化分析结果与设计阶段的分析结果对比验证，以此来保证对提梁机主梁的优化设计方案 的合理与可靠。 长安大学硕：i ：学位论文 第二章4 5 0 t 偏轨提梁机的结构设计 4 5 0 t 偏轨箱粱提梁机的门架钢结构的重量在整机重量的比例中达到6 0 以上，门 架的设计计算作为起重机设计的关键步骤。加上提梁机的设计水平和工作可靠性取决于 合理和安全可靠的钢结构设计f 2 9 删。同时，要提高对各种资源的利用率就要保证合理的 钢结构设计。因此，提梁机门架的结构设计以及对其进行研究早就成为该类起重机设计 的研究主题。 2 1 偏轨提梁机基本参数 提梁机的结构参数如下： 工作级别：a 3 ； 主梁结构：主梁的跨度为3 6 m ，起升的高度为2 5m ； 天车轨距：2 3m ，大车轨距为1 4m ； 大车速度：1 0 m m i n ； 天车速度：5 m m i n ； 起升速度：0 4 9 朋m i n ； 主钩起吊载荷：4 5 0 t ，行走在主梁上天车及其吊钩的自重8 0 t ； 钢材：q 3 4 5 b ； 轨道型号：o u l 0 0 ； 2 2 偏轨提梁机主梁设计参数的确定 在实际提梁过程中，起吊载荷g 、风载荷f 、启动或制动惯性力尸、主梁和天车自 重以及附属装置重力是双梁偏轨提梁机主要受到的载荷，起吊混凝土梁的作用点随着天 车在主梁轨道方向上的左右移动而变化。针对提梁机重量轻、刚度满足要求、作业空间 大、工作安全可靠等设计要求，对4 5 0 t 双梁偏轨提梁机进行结构的计算研究，对提梁 机的主梁和支腿按照设计规范来进行设计。设计的过程中，把提梁机主梁简化为简支梁 模型，对其进行受力分析，以此来计算各个设计参数。 2 2 1 提梁机主梁截面的计算( 略) 2 2 2 主梁加劲肋的计算( 略) 2 2 3 横向加劲板的计算( 略) 2 3 偏轨提梁机支腿设计参数的确定( 略) 7 第二章4 5 0 t 偏轨提粱机的结构设计 2 4 偏轨提梁机抗倾覆稳定性计算( 略) 2 4 1 空载时提梁机沿轨道方向起、制动的载重稳定性( 略) 2 4 2 自重稳定性( 略) 2 5 本章小结 本章是论文的研究基础，首先对4 5 0 t 双梁偏轨提梁机钢结构进行设计分析。针对 提梁机重量轻、刚度好、作业空间大、工作安全可靠等设计要求，研究了偏轨提梁机截 面设计计算和各类筋板的设计，以及对偏轨提梁机的主梁及支腿按照规范规范要求进行 了设计，在此基础上对设计的提梁机的稳定性进行了验算。在设计计算的整个过程中， 通过将提梁机的主梁简化成简支梁，再对其进行受力分析，最终得到了偏轨提梁机主粱 和支腿的各个设计参数，为提梁机的有限元分析和优化研究奠定了基础。 8 长安大学硕士学位论文 第三章4 5 0 t 偏轨提梁机的有限元分析 3 1 提梁机结构有限元计算模型的建立 把连续的物理实体离散化就是有限元方法的基本思想，就是用有限个单元来解释复 杂的实体对象，而且这有限个单元之间是通过节点的相互连接来形成一个整体，然后对 其进行边界条件施加来进行综合求解。由此带来的结果就是使计算结果与实际情况存在 着一定程度上的误差，但是对模型简化的精确度很大程度上控制了误差的大小及结果的 准确度，甚至于合理简化的程度直接决定了有限元结果的正确度。在确保计算过程和计 算结果的经济性的目的要求下，在最大程度上保持与原始结构一致之外，还要在建模的 过程中进行必要的结构简化。由于对一些非关键部件进行过于细致地描述，这样不仅会 造成了实际建模的难度和增加了单元数目，还会在有限元模型的单元尺寸变化太剧烈的 情况下影响到计算精度的大小，除了以上所述，有些因为由自身功能、制造工艺要求的 结构存在许多对分析无关的要求，如果不简化结构的几何模型就进行划分单元网格，由 此会使有限元建模非常困难以至无法进行。因此，必须经过一定的简化的模型才能满足 有限元的分析要求【3 2 , 3 3 l 。但是需要在符合结构主要力学特性的前提下再进行必要的简 化。在遵守这些原则下，提梁机结构中的一些小尺寸结构，比如一些d , ；f l 、开口、小筋、 螺栓、小凸台以及走台、护栏之类的辅助结构，设计它们的目的是使局部过渡或工艺上 避让一些管线和使机构以便进行保养维护，这些结构对整体机构的强度和刚度影响并不 大，因此可以忽略，即可以在有限元模型中不必建这些结构的模型。本文在建模的过程 中为了尽量避免病态单元的出现，划分网格采取自定义网格划分。在建立有限元模型的 过程中，对模型做了以下假设和简化： 1 、该提梁机为钢板焊接而成的箱形梁结构，因此在建模的过程中，采用空间板壳 单元s h e l l 6 3 单元来模拟，最大可能的准确反映结构的特点； 2 、由于天车沿着主梁上的轨道运行，起重量通过轨道作用在主梁上，所以吊具和 起吊的混凝土梁与主梁的着力点可以简化为8 个等效面压力，分别施加于主梁上盖板的 8 个滑块接触面上； 3 、由于大车行走机构和天车的行走机构并不是同时运行，在有限元的计算中通过 施加节点力来模拟两运行机构的加速度对提梁机整体的影响，大车轮箱与销轴采用空间 梁单元模拟，通过梁单元施加约束。 简化后的提梁机的有限元模型如下图3 1 所示。板壳单元共划分4 2 1 0 8 个，梁单元 7 1 6 个，节点共4 11 9 6 个。 9 第三章4 5 0 t 偏轨提梁机的有限元分析 图3 1 提粱机的有限元模型( 略) 3 2 计算载荷 3 - 3 材料许用应力 提梁机的结构材料为：q 3 4 5 b ，材料的力学性能见表3 1 。参照g b t 3 8 1 1 - 2 0 0 8 起 重机设计规范，钢材的强度安全系数根据不同的载荷组合取刀= 1 4 8 和聆= 1 3 3 。 表3 1 各材料力学性能 材料材料特性 屈服极限仃， 许用应力 弹性模鼍e ( 锄) 2 0 6 吼，z = 弋3 i 斗6 a _ 2 3 3 m p a 泊松比肛 o 3 q 3 4 5 b 3 4 5m p n 密度 刀= 詈= 1 j j p a 瑙9 m p 口 ( k g m 3 ) 7 8 5 0 3 4 各种计算工况的结构强度与刚度分析 3 4 1 各种计算工况的介绍 综合分析提梁机的工作状况，选择1 0 种典型工况对其进行静强度、静刚度和稳定 性有限元分析。 1 、工况一( 静态刚性校验工况) 用来考察设备的静刚度是否满足设计规范的要求，根据起重机设计规范，在该 工况下，起升载荷、天车及吊具自重的载荷是提梁机所承受的载荷。分析提梁机整机的 静刚度是否满足挠跨比的要求是计算该工况的目的。 ( 1 ) 载荷说明： 提梁机在静态刚性校验工况下，起升载荷、天车及吊具自重载荷是提梁机所受的载 荷。 根据起重机设计与试验规范，蛏向起升载荷( 主梁所承受) 为： g = q + g 1 = 5 0 0 0 + 8 0 0 = 5 8 0 0 k n ( 3 1 ) 式中： 瓯额定载荷，瓯= 5 0 0 0 k n ； 1 0 长安大学硕士学位论文 g 1 天车及吊具自重，g l = 8 0 0 k n 。 2 、工况二( 静载试验工况) 根据g b 5 9 0 5 起重机试验规范和程序的规定，对提梁机进行静强度检测时，要 求提梁机大车静止，天车缓慢起吊混凝土梁，1 2 5 g 是竖向起升载荷( g 为额定载荷) ， 位于提梁机主梁跨中，混凝土梁提升一定高度且静止后读取实验数据。 ( 1 ) 载荷说明： 在静载试验工况下，提梁机自重和起升载荷是提梁机所承受的载荷。 依据起重机设计与规范，主梁所受的竖向起升载荷为： g = 蛾+ g l = 1 2 5 x 5 0 0 0 + 8 0 0 = 7 0 5 0 k n ( 3 2 ) 式中： 七静载系数，k = 1 2 5 ； 瓯额定载荷，q = 5 0 0 0 k n ： g l 天车和吊具的自重，g l = 8 0 0 k n 。 3 、工况三( 天车位于跨中制动，大车不动，有风载) 在该工况下，提梁机自重、起升载荷、风载荷和因天车制动引起天车吊混凝土梁产 生的沿主梁方向的水平惯性力是提梁机所承受的载荷。 ( 1 ) 载荷说明： 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷、风载荷和由于天车制动引起天车吊混 凝土梁而产生的沿主梁方向的水平惯性力是提梁机所受的载荷。 垂向力： g = 露( q + g 1 ) ( 3 3 ) 代入数值得：g = 1 1 x ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) = 6 3 8 0 k n 式中： 七动载系数，k = 1 1 ； q 额定载荷，q = 5 0 0 0 k n ； g 1 天车和吊具的自重，g l = 8 0 0 k n 。 天车的水平惯性力 尸= 鸭( g + g 1 ) 旦( 3 4 ) 第三章4 5 0 t 偏轨提梁机的有限元分析 代入数值得： 尸= 1 5 ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) 百0 0 1 8 = 1 5 9 8 埘 式中： 饮起重机驱动力突变时引起的结构的动力效应，纯= 1 5 ； q 额定载荷，q = 5 0 0 0 k n ； g l 天车和吊具的自重，g 1 = 8 0 0 k n ； a 天车的加速度，a ：o 0 1 8 m s 2 。 风载荷 工作时主梁所承受的风载为8 级，即风压力p = 2 5 0 p a 。 4 、工况四( 天车位于跨中制动，大车不动，无风载) 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷和由于天车制动引起天车吊混凝土梁而 产生的沿主梁方向的水平惯性力是提梁机所所承受的载荷。 ( 1 ) 载荷说明： 垂向力，由式( 3 3 ) 得： g = 尼( g + g 1 ) = 1 1 x ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) = 6 3 8 0 k n 天车水平惯性力，由式( 3 4 ) 得： 尸= p s x ( q + g 1 ) 5 ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) 等= 1 5 9 8 k ng y 苓 5 、工况五( 天车位于跨端制动，大车不动，有风载) 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷、风载荷和由于天车制动引起天车吊混 凝土梁产生的沿主梁方向的水平惯性力是提梁机所承受的载荷。 ( 1 ) 载荷说明： 垂向力，由公式( 3 3 ) 得： g = j | ( q + g 1 ) = 1 1 x ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) = 6 3 8 0 k n 天车水平惯性力，由公式( 3 4 ) 得： p=州g+g1)旦=15x(5000+800)等=1598kng y k 风载荷 ， 工作时提梁机所受风载为8 级，即风压力p = 2 5 0 p a 。 6 、工况六( 天车位于跨端制动，大车不动，无风载) 1 2 长安大学硕士学位论文 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷和由于天车制动引起天车吊混凝土梁产 生的沿主梁方向的水平惯性力是提梁机所承受的载荷。 ( 1 ) 载荷说明： 垂向力，由公式( 3 3 ) 得： g = 七( q + g 1 ) = 1 i x ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) = 6 3 8 0 k n 天车水平惯性力，由公式( 3 4 ) 得： 蝇+ g 1 ) 詈= 1 5 x ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) 等= 1 5 9 8 k n g y 5 7 、工况七( 大车制动，天车位于跨中不动，有风载) 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷、风载荷以及由于大车制动而引起天车 吊混凝土梁产生的垂直于主梁方向的水平惯性力以及大车的水平惯性力是提梁机所承 受的载荷。 ( 1 ) 载荷说明： 垂向力，由公式( 3 3 ) 得： g = 后( q + g 1 ) = 1 1 x ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) = 6 3 8 0 k n 大车水平惯性力( 沿大车的轨道方向) 尸= 吼吼詈= 1 5 x 3 5 0 0 x 等- 1 9 2 9 k n ( 3 5 ) g y - 5 式中： 红起重机驱动力突变时引起的结构的动力效应系数，纯= 1 5 ； 吒大车自重，g 0 = 3 5 0 0 k n ； a 大车加速度，a = 0 0 3 6 m s 2 。 大车制动时引起天车的惯性力( 垂直于主梁方向) p：红蚂+g1)垒-15(5000+800)等=3196kng ( 3 6 ) y 西 式中： 起重机驱动力突变时引起的结构的动力效应，仍= 1 5 ； q 额定载荷，q = 5 0 0 0 k n ； g l 天车及吊具自重，g i = 8 0 0 k n ； 大车加速度，a d a = o 0 3 6 m s 2 。 第三章4 5 0 t 偏轨提梁机的有限元分析 风载荷 取提粱机工作时受的风载为8 级，即风压力p = 2 5 0 p a 。 8 、工况八( 大车制动，天车位于跨中不动，无风载) 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷以及由于大车制动而引起天车吊混凝土 梁产生的垂直于主梁方向的水平惯性力以及大车的水平惯性力是提梁机所承受的载荷。 ( 1 ) 载荷说明： 垂向力，由公式( 3 3 ) 得： g = 七( q + g 1 ) = 1 1 ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) = 6 3 8 0 k n 大车水平惯性力( 沿大车的轨道方向) ，由公式( 3 5 ) 得： 尸=仇吒旦=15x3500 x等=1929kng y 萏 大车制动引起天车的惯性力( 垂直于主梁方向) ，由公式( 3 5 ) 得： 尸= 鸭婀+ g 1 ) k 15(5000+800)等-3196kng y 6 9 、工况九( 大车制动，天车位于跨端不动，有风载) 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷、风载荷以及由于大车制动而引起天车 吊混凝土梁产生的垂直于主梁方向的水平惯性力以及大车的水平惯性力是提梁机所承 受的载荷。 ( 1 ) 载荷说明： 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷、风载荷以及由于大车制动而引起天车 吊混凝土梁产生的垂直于主梁方向的水平惯性力以及大车的水平惯性力是提粱机所承 受的载荷。 垂向力，由公式( 3 3 ) 得： g = 尼( q + g 1 ) = 1 1x ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) = 6 3 8 0 k n 大车水平惯性力( 沿大车的轨道方向) ，由公式( 3 5 ) 得： 脚，吒旦= 1 5 x 3500 x等=1929kng y 石 大车制动引起天车的惯性力( 垂直于主梁方向) ，由公式( 3 6 ) 得： 尸=州g+g1)堕=15x(5000+800)x等=3196kng y 芍 起重机偏斜运行时的水平侧向载荷( 垂直于大车轨道方向) ： 1 4 长安大学硕士学位论文 只= 芝1e p a = 1 7 7 1 7 2 k n 式中： 只起重机偏斜运行时的水平侧向载荷，单位( n ) ； ( 3 7 ) 尸起重机所承受侧向载荷一侧的端梁上与有效轴距有关的相应轮压经常出 现的最大轮压之和，单位为牛顿( n ) ，不考虑各种动力系数； a 水平侧向载荷系数，与起重机跨度l 和有效轴距a 的比值有关。 风载荷 提梁机工作时受的风载为8 级，即风压力p = 2 5 0 p a 。 1 0 、工况十( 大车制动，天车位于跨端不动，无风载) 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷以及由于大车制动而引起天车吊混凝土 梁产生的垂直于主梁方向的水平惯性力以及大车的水平惯性力是提梁机所承受的载荷。 ( 1 ) 载荷说明： 提梁机在此工况下，提梁机自重、起升载荷以及由于大车制动而引起天车吊混凝土 梁产生的垂直于主梁方向的水平惯性力以及大车的水平惯性力是提梁机所承受的载荷。 垂向力，由公式( 3 3 ) 得： g = 尼( q + g 1 ) = 1 1 ( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) = 6 3 8 0 k n 大车水平惯性力( 沿大车的轨道方向) ，由公式( 3 5 ) 得： 尸= 红嘞旦g = 1 5 x 3 5 0 0 等= 1 9 2 9 k n y 6 大车制动引起天车的惯性力( 垂直于主梁方向) ，由公式( 3 6 ) 得： p = 州q + g 1 ) 生”( 5 0 0 0 + 8 0 0 ) 等= 3 1 9 6 k n g y 6 起重机偏斜运行时的水平侧向载荷( 垂直于大车轨道方向) ，由公式( 3 7 ) 得： 只= 去p 允= 1 7 7 1 7 2 k n 3 4 2 结构强度和刚度分析结果 ( 1 ) 工况一为静刚度校核工况计算结果如下图3 3 所示。u ，2o 0 4 5 0 3 m 是该工况 下提梁机最大竖直向下变形。因此此时提梁机的挠跨比为： 允= 了a = 百0 0 4 5 0 3 = 去 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性要求。结构在 该工况下主梁副腹板首先发生局部失稳。 3 、工况三( 天车位于跨中制动，大车不动，有风载工况) 提梁机一阶整体失稳模态图以及局部失稳模态图分别见图3 2 4 ，图3 2 5 。由屈曲稳 定性计算可知， = 4 1 2 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性要求。结 构在该工况下主梁副腹板首先发生局部失稳。 4 、工况四( 天车位于跨中制动，大车不动，无风载工况) 提梁机一阶整体失稳模态图以及局部失稳模态分别见图3 2 6 ，图3 2 7 。由屈曲稳定 性计算可知，由图可知， = 4 1 9 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性 要求。结构在该种工况下主梁副腹板首先发生局部失稳。 5 、工况五( 天车位于跨端制动，大车不动，有风载工况) 提梁机的一阶整体失稳模态图以及局部失稳模态分别见图3 2 8 ，图3 2 9 。由屈曲稳 定性计算可知，a = 3 4 7 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性要求。结 构在该种工况下支腿上部首先发生局部失稳。 6 、工况六( 天车位于跨端制动，大车不动，无风载工况) 提梁机一阶整体失稳模态图以及局部失稳模态分别见图3 3 0 ，图3 3l 。经屈曲稳定 性计算可知， = 3 5 6 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性要求。结构 在该种工况下支腿上部首先发生局部失稳。 7 、工况七( 大车制动，天车位于跨中不动，有风载工况) 1 8 长安大学硕士学位论文 提梁机一阶整体失稳模态图以及局部失稳模态分别见图3 3 2 ，图3 3 3 。由屈曲稳定 性计算可知， = 4 0 5 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性要求。结构 在该工况下主梁副腹板首先发生局部失稳。 8 、工况八( 大车制动，天车位于跨中不动，无风载工况) 提梁机一阶整体失稳模态图以及局部失稳模态分别见图3 3 4 ，图3 3 5 。由屈曲稳定 性计算可知，九= 4 1 2 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性要求。结构 在该种工况下主梁副腹板首先发生局部失稳。 9 、工况九( 大车制动，天车位于跨端不动，有风载工况) 提梁机一阶整体失稳模态图以及局部失稳模态分别见图3 3 6 ，图3 3 7 。由屈曲稳定 性计算可知， = 3 3 3 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性要求。结构 在该种工况下支腿上部腹板首先发生局部失稳。 1 0 、工况十( 大车制动，天车位于跨端不动，无风载工况) 提梁机一阶整体失稳模态图以及局部失稳模态分别见图3 3 8 ，图3 3 9 。由屈曲稳定 性计算可知，九= 3 4 2 2 是该工况下的屈曲稳定性安全系数，满足稳定性要求。结构 在该种工况下支腿腹板首先发生局部失稳。 由以上计算结果可知一阶屈曲稳定性系数均大于2 ，故提梁机满足屈曲稳定性要求。 图3 2 2 工况二整体屈曲变形图( 略) 图3 2 3 工况二局部屈曲变形图( 略) 图3 2 4 工况三整体屈曲变形图( 略) 图3 2 5 工况三局部屈曲变形图( 略) 图3 2 6 工况四整体屈曲变形图( 略) 图3 2 7 工况四局部屈曲变形图( 略) 图3 ，2 8 工况五攘体屈曲交形图( 略) 图3 2 9 工况五局部屈曲变形图( 略) 图3 3 0 工况六整体屈曲变形图( 略) 图3 3 1 工况六局部屈曲变形图( 略) 图3 3 2 工况七整体屈曲变形图( 略) 1 9 第二三章4 5 0 t 偏轨提梁机的有限元分析 图3 3 3 工况七局部屈曲变形圈( 略) 图3 3 4 工况八整体屈曲变形图( 略) 图3 3 5 工况八局部屈曲变形图( 略) 图3 3 6 工况九整体屈曲变形图( 略) 图3 3 7 工况九局部屈曲变形图( 略) 图3 3 8 工况十整体屈曲变形图( 略) 图3 3 9 工况十局部屈曲变形图( 略) 3 6 结构模态分析 模态分析用来分析结构的自振频率和相应振型，为结构设计提供依据，同时可避免 共振现象的发生，进而对提高整体结构的安全性和可靠性有重要意义【3 4 1 。因此，对结构 的模态分析很有意义。用a n s y s 有限元分析软件就可以计算出结构的固有频率和相应 振型。 对偏轨提梁机进行模态分析，得到它的固有频率和振型。对于起重机而言，虽然工 作状态的固有频率有很多个，但对结构的动态特性能够产生较大影响的基本上在前几 阶，而且要求天车满载垂直方向的固有频率不低于2 h z ，这也是对提梁机进行模态分析 的重点部分。本文选取起重机的前五阶固有频率进行分析，列出了前五阶的主振型图。 前五阶的固有频率和振型如表3 2 。前四阶主振型图见图3 4 卜图3 4 3 。 表3 2 提梁机前五阶固有频率和振