關(guān)于電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究
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作者：張毅
目前國內(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)，通過大量的簡化處理，計(jì)算出所需的強(qiáng)度和剛度。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5 t/22.5 m電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)為研究對象。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為平臺建立的橋式起重機(jī)三維模型如圖1所示。
單梁橋式起重機(jī)的端梁作為獨(dú)立構(gòu)件與主梁通過螺栓法蘭連接，連接法蘭通過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22.5 m．大車運(yùn)行速度為20 m／min，電動(dòng)葫蘆起升速度為8 m／min，起升高度為6m，工作級別為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ANSYSWorkbench前應(yīng)將三維模型進(jìn)行合理簡化，然后將簡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。滿載電動(dòng)葫蘆通過車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。
起重機(jī)起重量為5t，電動(dòng)葫蘆質(zhì)量為0. 32 t，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 =13 891.5 N。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[胡一235 MPa／1. 33—176.7 MPa。當(dāng)滿載電動(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130.18 MPa，小于材料的許用應(yīng)力。主梁在豎直方向最大位移為10.123 mm，即主梁的撓度．廠一10. 123 mm，小于該起重機(jī)的許用撓度[ fl=28.12 mm（[f]≤Ll800，其中，L為主梁的跨度，L-22.5 m），所以撓度符合要求。
經(jīng)過對滿載電動(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)滿載電動(dòng)葫蘆在跨中時(shí)為“O”位，圖5和圖6分別為滿載電動(dòng)葫蘆從跨中開始往跨端運(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10 mm～20 mm，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)。
3結(jié)論
通過對起重機(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10 mm～20 mm，將顯著地降低該處應(yīng)力值，使結(jié)構(gòu)更加安全可靠。
4摘要：針對橋式起重機(jī)在靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中存在的問題，以某電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)為對象，對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，在ANSYS 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，并對該問題提出合理建議。
