电动单梁桥式起重机结构力学分析

电动单梁桥式起重机结构力学分析 电动单梁桥式起重机结构力学分析

侯先启，任 远

（长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

摘要：针对桥式起重机在静强度设计中存在的问题，以某电动单梁桥式起重机为对象，对其整体结构进行力学分析，在ANSYS Workbench中得到其结构在不同工况下的应力分布和变形情况，并获得结构的静强度和刚度，发现工字钢与连接板连接处易出现应力集中现象，并对该问题提出合理建议。

关键词：单梁桥式起重机；力学分析；有限元

0 引言

桥式起重机是起重机械的一个主要类型，它主要用来在固定的车间内装卸和搬运物料。随着生产规模的扩大及自动化程度的提高，对桥式起重机的设计要求也越来越高。目前国内设计使用的起重机，是以传统的工程力学为基础，结合使用经验，通过大量的简化处理，计算出所需的强度和刚度［1］。手工计算费时费力，而且计算结果准确性差。本文利用三维软件SolidWorks生成某电动单梁起重机的整体模型，再将几何模型导入有限元软件ANSYS Workbench中进行强度及刚度分析，确定应力集中位置，并对主梁的设计提出合理的建议。

1 桥式起重机三维模型的建立

本文以5t/22.5m电动单梁桥式起重机为研究对象。该起重机由单主梁、端梁、电动葫芦、电气设备和运行机构等部件组成。以SolidWorks为平台建立的桥式起重机三维模型［2］如图1所示。

图1 电动单梁桥式起重机三维模型

1-运行机构；2-主梁；3-电动葫芦；4-端梁

单梁桥式起重机的端梁作为独立构件与主梁通过螺栓法兰连接，连接法兰通过8个精制螺栓与端梁连接。由于主梁与端梁连接处弯矩较大，主要通过连接法兰与端梁水平接触承受剪切力，此外精制螺栓除了起连接作用以外，也承受了部分剪切力。

单梁桥式起重机的主要性能参数如下：起升重量为5t，跨度为22.5m，大车运行速度为20m/min，电动葫芦起升速度为8m/min，起升高度为6m，工作级别为A4。

2 静力学分析

2.1 模型导入

建立的电动单梁桥式起重机模型是否合理将直接影响有限元前处理的时间长短以及计算结果的准确性，由于完整起重机结构比较复杂，在导入ANSYS Workbench前应将三维模型进行合理简化，然后将简化后的三维模型直接导入。

2.2 材料属性的定义

电动单梁桥式起重机的主要结构材料为Q235钢，其弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。2.3 划分网格

由于模型某些部件尺寸较大，因此采用单个部件分别划分网格的方法，分别定义各个部件网格的尺寸，主梁与端梁连接处细化网格。划分网格后，模型共有101 240个节点、26 476个单元。

2.4 施加约束和载荷

根据实际情况，对两侧端梁下表面分别施加位移约束，但不施加旋转约束。满载电动葫芦通过车轮施加到主梁上的压力以集中力的方式施加到电动葫芦轮压附近的各个节点上，即将载荷作用节点附近的一小块平面设为加载平面［3］。

起重机起重量为5t，电动葫芦质量为0.32t，考虑其起升动载系数为1.07，则各个电动葫芦轮压P=（5 000×1.07+320）×9.8/4=13 891.5N。加载位置分别为跨中、1/4跨以及跨端相应的位置，方向垂直向下。

2.5 有限元计算及结果分析

经过有限元分析，得出桥式起重机跨中、1/4跨、跨端在载荷作用下的变形及应力云图。图2、图3分别为桥式起重机在跨中载荷作用下主梁变形图和应力云图，图4为主梁与端梁连接处的应力云图。

取安全系数为1.33，Q235钢的最大许用应力［σ］= 235MPa/1.33=176.7MPa。当满载电动葫芦位于跨中、1/4跨和跨端时，该起重机的最大应力都出现在主梁和端梁连接处，最大应力为130.18MPa，小于材料的许用应力。主梁在竖直方向最大位移为10.123mm，即主梁的挠度f=10.123mm，小于该起重机的许用挠度［f］=28.12mm（［f］≤L/800，其中，L为主梁的跨度，L=22.5m），所以挠度符合要求。

图2 跨中载荷作用下主梁变形云图

图3 跨中载荷作用下主梁应力云图

图4 主梁与端梁连接处应力云图

经过对满载电动葫芦从跨中到跨端不同位置的多次加载求解，得出整机的最大应力和最大位移随电动葫芦所在不同位置的变化情况。

设满载电动葫芦在跨中时为“0”位，图5和图6分别为满载电动葫芦从跨中开始往跨端运动时起重机出现的最大应力和最大位移的变化。

从图5、图6可以发现，当电动葫芦位置从跨中向跨端变化时，桥架的最大应力值以及最大位移逐渐减小，满载电动葫芦在跨中时，结构出现的应力最大，若将连接贴板向行走轮两侧延伸10mm～20mm，将显著地降低主梁与端梁连接处的应力值，提高结构的安全系数。

图5 不同位置最大应力变化

图6 不同位置最大位移变化

3 结论

通过对起重机进行有限元分析，得到了以下结论：①该起重机最大应力小于其材料的许用应力，强度满足设计要求；②主梁的静挠度也在其许用范围之内，满足设计要求；③主梁与端梁连接处应力较大，将连接贴板向行走轮两侧延伸10mm～20mm，将显著地降低该处应力值，使结构更加安全可靠。

参考文献：

［1］ 吴丽萍.我国起重机新技术的进展与国外发展动向［J］.山西机械，2002（4）：51-52.

［2］ 魏国前，叶国平.基于现代设计方法的LDA起重机主梁设计［J］.机械设计与制造，2009（5）：81-83.

［3］ 杨荣柏，谢月云，钟华珍.机械结构分析的有限元法［M］.武汉：华中工学院出版社，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）

中图分类号：TH215∶TP391.7

文献标识码：A

文章编号：1672-6413（2016）01-0060-02

收稿日期：2015-04-27；

修订日期：2015-12-01

作者简介：侯先启 （1965-），男，山西长治人，工程师，大专，主要从事煤矿生产管理工作。