桥式起重机架结构设计

桥式起重机架结构设计

1起重机有限元分析的必要性桥梁提升机是实现货物提升的重要辅助设备，在许多场合发挥着重要作用，如工厂、港口、货物仓库、仓库等。作为主要承载部分,桥架结构的设计尤为重要,目前在制造企业和设计单位大多引入有限元技术进行辅助设计和分析。通过查阅文献,了解到现有起重机的有限元分析多是针对单一的结构和零部件,对起重机整体结构的分析和研究相对比较缺乏。针对LDA单梁桥式起重机的具体结构,对其整体桥架结构进行了完整的有限元建模,分析了整体桥架结构的危险部位,研究了工字钢下翼缘局部弯曲应力和扭转问题,并对现有的设计方法提出了若干改进意见。2桥梁结构的有限建模2.1葫芦起重量采用某10t的LDA单梁桥式起重机为例,如图1所示。基本参数:起重量10t;跨度12.6m;葫芦自重1.01t;工字钢型号30a;加强板厚度16mm;材料Q235;许用应力[σ]=176MPa。2.2有限元模型建立LDA单梁桥式起重机的桥架结构主要由钢板和工字钢焊接而成,虽然工字钢的上、下翼缘带有斜度,并不严格符合平板形状,但由于其厚度相对长和宽的尺寸较小,为了简化建模过程,仍将其考虑成薄板结构。这样处理,虽然会带来一定误差,但对于整机有限元分析而言,能够满足工程精度要求,同时可简化单元类型,减少单元数量。采用HyperMesh前处理软件建立有限元模型,之后采用其自带的OptiStruct求解器进行求解,整个有限元模型的单元数量为160881个,节点数量为159258个。本例的主梁和端梁通过连接板和螺栓连接而成,主梁两侧对称各布置四个螺栓。对于整机桥架结构的有限元建模而言,必须要真实地模拟该处的连接方式,才能有效地反映该处的力学传递,因此将其简化为板单元。此例中采用RBE2模拟螺栓连接,如图2所示。连接板与主梁U型钢的焊接采用焊接节点相融方式简化。贴板与端梁抽中面之后由于有间隙,因此将对应节点用RBE2单元连接模拟焊接。连接板及端梁贴板螺栓孔的圆心用多个刚性单元与孔圆周的节点连接起来,并将主梁端梁和连接板螺栓孔的圆心节点用刚性单元连接来模拟螺栓连接结构。由于此处我们主要考虑轴向弯曲应力,剪切力考虑较少,因而将连接板上部的凸缘板忽略。2.3桥架结构的内载荷传统的桥式起重机计算理论中,通常把主梁和端梁分开计算,因此其边界条件是孤立的,也是简化的。然而,在实际结构中,整个桥架是通过四个大车车轮与外界相互作用的,因此按照整机考虑桥架结构的边界条件将更加直接和简便。在本例中,将四个大车车轮简化成位于其质心处的四个质点,分别采用RBE2刚性单元将其与端梁上的轮轴孔周边连接,如图3所示。最后,按照空间简支梁的支承形式将约束施加在这些质点上。2.4u型槽钢局部弯曲应力的计算根据实际情况,将额定起重量和葫芦小车自重简化为集中力,根据实际情况考虑“跨中截面加载”和“跨端截面加载”两种状况,每种状况又考虑以下两种情况。(1)8个集中力分别位于工字钢下翼缘左右两侧的上表面中央;(2)1个集中力位于U型槽钢的上表面中央。上述情况(1)中的8个集中力反映了葫芦小车的轮压作用,其和等于情况(2)中的1个集中力的大小,设置这两种情况主要是为了分离出情况(1)的局部弯曲作用。具体说,为计算工字钢局部弯曲应力,将跨中下翼缘两侧正中央的集中力,向外侧和内侧分别偏移5mm、10mm、15mm、20mm共8种工况,从而研究加载位置对局部弯曲应力的影响。此外,为了模拟生产现场经常出现的车轮偏移现象,还对工字钢下翼缘一侧的集中力分别向外偏移5mm和10mm,分析了扭转作用对该种结构的影响特点。3不同工况下主梁和端梁之间的应力分布葫芦小车运行至跨中和端部时起重机整体桥架应力云图,如图4所示。从该图可以看出,无论载荷是在跨中还是在端部,主梁和端梁的连接部位都是整个结构的薄弱环节之一,尤其是在载荷位于主梁端部的情况下,该部位的应力状况更加恶劣。因此,传统的仅仅将桥式起重机主梁作为研究对象进行结构强度分析,并不能满足整体桥架结构的设计要求。根据图4,取关键部位的应力值列成表格,如表1所示。其中包括主梁跨中截面工字钢下翼缘下表面边缘、主梁跨中截面工字钢腹板中部、主端梁连接部位端梁上盖板上表面、主端梁连接部位端梁腹板中部等。从表1可以看出:当载荷位于跨中时,主梁跨中截面工字钢下翼缘承受较大的应力,合成应力达到76.3MPa,应力主要由Z向(主梁纵向)正应力组成,达到73.5MPa,X向应力也较大,达到15.2MPa,说明该处具有明显的局部弯曲作用;同一截面工字钢腹板中部的Z向正应力为37.7MPa,说明LDA主梁结构的中性轴已经上移,工字钢腹板中部也承受较明显的的弯曲正应力。值得注意的是主端梁连接部位端梁的应力状况。当载荷位于跨中时,端梁上盖板具有明显的Z向(端梁纵向)正、X向正应力、ZX向剪应力,数值分别达到46.6MPa、16.7MPa和15.2MPa,表明该处不仅承受梁的弯曲作用,还伴随有明显的扭转作用,该部位的合成应力达到81.5MPa,高于同种工况条件下主梁跨中截面工字钢下翼缘的应力水平;当载荷位于跨端时,这种状况更加突出,数值分别达到77.2MPa、27.6MPa和25.5MPa,合成应力高达136.3MPa,这一数值与材料的许用应力176MPa相比已经达到很高的程度。因此,有限元计算结果表明,传统的起重机钢结构理论中采用的主梁跨中截面只是结构设计中需要考虑的一个危险部位,端梁尤其是主端梁连接部位的应力状况更加复杂并且危险,在设计中也必须予以重点考虑。4工字钢边缘局部弯曲应力的计算主梁跨中截面的弯曲正应力包括初等梁理论弯曲应力和由小车轮压在工字钢下翼缘引起的局部弯曲应力两部分,实践证明,局部弯曲应力占整体弯曲应力的较大比重,设计时必须予以考虑。根据起重机设计手册,通常采用的形式进行局部弯曲应力的计算,式中:σ—局部弯曲应力,通常考虑腹板根部、作用点、翼缘自由端三个位置;k—由轮压作用点位置决定的系数,可以查表获得;P—电动葫芦一个车轮的最大轮压;t—翼缘厚度,如果采用我国国家标准的工字钢,可以取其平均厚度。采用板单元模拟工字钢结构,并计算了两类工况。因板单元的的结构较简洁,仅描述了两种情况下工字钢下翼缘边缘Z向应力分布,如图5所示。图5中,虚线曲线描述的是1个集中力加载在U型钢顶部时Z向正应力,因此可以认为下翼缘只受到初等梁理论弯曲应力;实线曲线描述的是8个集中力加载在下翼缘上表面时Z向正应力,此时下翼缘截面不仅受到与虚线曲线相同的初等梁理论弯曲作用,还受到附加的局部弯曲作用;两者之差双点划线曲线即为纯粹的Z向局部弯曲正应力。从图5的实线曲线可以看出,局部弯曲作用仅仅作用于加载区域,Z向正应力最大差值约为43MPa,而根据起重机设计手册中局部弯曲应力公式,并依据本例的状况(1),取8个集中力中的一个集中力,手工计算Z向局部弯曲正应力为57MPa,可见手工计算的工字钢边缘局部弯曲应力值偏大。由于手工计算比较保守,这将造成较大的材料浪费。5下翼缘腹板深部应力的变化由于制造、安装以及运行中的种种因素,实际的LDA单梁桥式起重机很难保证两侧车轮相对腹板完全对称,尤其是在大车启动和制动阶段中,经常出现车轮向一侧偏移现象,如图6所示。为模拟以上现象,将工字钢下翼缘跨中一侧的集中力向外偏移5mm和10mm分别进行计算,取工字钢下翼缘腹板根部计算结果,如表2所示。由表2分析可知,下翼缘腹板根部节点在X向正应力增幅较为剧烈,在一侧集中力偏移5mm和10mm时增幅分别达到13.94%和27.34%,应力数值达到93.68MPa和104.7MPa,说明此时的约束扭转效应非常明显,不可忽视。VonMises应力增幅分别达到4.44%和9.02%,Z向正应力增幅在偏移5mm和10mm时分别有4.43%和8.42%。可见由安装和工作等因素引起的车轮向一侧偏移,产生的扭转应力很大。因此在制造及安装过程中一定要保证车轮的对称度。6其他方面的有限元计算方法对LDA单梁桥式起重机的整体桥架结构进行了有限元建模,得出以下结论。(1)对LDA单梁桥式起重机而言,危险截面不仅仅是跨中部位,端梁尤其是主端梁连接部位的应力状况更加复杂,应力水平也更高,因此在设计时必须进行仔细的强度校核,在维护和安全性能检测时也必须予以足够的重视。此外,其它类型的起重机金属结构也具有相似的力学特性。(2)LDA单梁桥式起重机工字钢下翼缘受到明显的局部弯曲作用,并且局部弯曲应力仅作用于加载区域附近。对于本例而言,多个集中载荷造成的局部弯曲作用之间没有耦合影响。此外,采用起重机设计手册中手工计算的局部弯曲应力数值比有限元计算结果稍大,从安全角度来看,可以采用其公式进行设计计算。(3)对于LDA单梁桥式起重机而言,葫芦车轮的安装质量对桥架结构的受力状况的影响很大。有限元计算表明,即使车轮向一侧偏