铸造用电动双梁桥式起重机抗震分析

姚海瑞 魏 兴

（1：北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京 100029；2：大连益利亚工程机械有限公司 辽宁大连 116024）

1 前言

桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备。广泛应用于机械加工工厂、港口、核电和冶金等领域。根据不同领域特点有着相应的要求，如冶金行业中铸造桥式起重机，对抗震有严格要求。本文将以某型铸造用电动双梁起重机的抗震工况进行有限元法的分析，以阐明计算分析过程，为同行业借鉴。

2 电动双梁桥式起重机建模

2.1 该电动双梁桥式起重机构成

该桥式起重机的主体由桥架和小车构成（见图1）。

图1 电动双梁桥式起重机布置图

2.2 建立有限元模型

2.2.1 单元类型选取

该桥式起重机大、小车车架均为箱型梁结构，采用梁单元模拟；上下滑轮、减速器、电动机等以梁单元模拟通过修改调整单元密度的方式使模型质量和施加机构质量一致。

钢丝绳用Link10受拉杆单元模拟，通过16根杆单元来模拟实际起升机构的钢丝绳缠绕方式，能够很好的模拟机构在地震作用下的响应。

大小车车轮视为刚体、吊重作为集中质量载荷加在下部滑轮梁中间位置。起重机大小车各自的水平轮，以刚性较大的短梁来模拟。

箱型梁内部布置有隔板、筋板等部件，它们主要对结构稳定性产生影响，故将其质量均布在结构中。

变截面梁通过修改变截面处两端单元的截面编号实现变截面梁建模，建立的梁有限元模型和实际梁结构基本一致，能够很好的模拟梁在地震工况下的受力情况。

起升卷筒以梁单元模拟，卷筒和梁的连接处以刚性较大的短梁来模拟卷筒轴轴承座，使卷筒上的力以均布载荷的形式施加在小车架相应位置，能够很好的模拟实际情况下的小车架受力情况。

将小车与桥架连成一体，限制小车的自由度，采用这种建模方式比较保守，在地震工况下起重机金属的应力和钢丝绳拉力会偏大。

根据以上原则建立的有限元模型如图2～4。

图2 桥架的有限元模型

图4 整机的有限元模型

2.2.2 边界条件

桥架附属结构的质量以均布载荷或集中质量载荷的形式施加在起重机的相应位置，均布载荷以调整模型密度的形式施加。

桥架按简支梁的方式进行约束，在大车车轮处施加位移约束。大车运行机构共有16个车轮，采用1／4驱动，在抗震计算模型中，大车主动轮处施加全位移约束，在其余车轮处施加相应的位移约束。

2.3 材料参数

采用材料：Q345C；

弹性模量：E＝2.06×105MPa；

泊松比：μ＝0.3；

屈服强度：345MPa；

抗拉强度：513MPa

2.4 分析内容

采用结构静力计算、模态分析，谱分析。结果为谱分析和静力分析结果的叠加。阻尼系数在极限安全地震（SL-2）工况下地震阻尼比为7%。

振型组合采用CQC法，X／Y／Z三个方向谱响应的完全叠加，静载和地震载荷计算结果按照最不利方式进行组合。

3 实例分析结果

根据规范及分析要求，进行了静力和地震响应下8种工况（小车位于跨中、小车位于左右极限、小车位于1／4跨距，吊钩位于上下极限位置）下的桥架强度、小车架强度、大车轮压、小车轮压、起升钢丝绳拉力计算。

图5 工况1下整体位移云图（单位mm）

以工况1为例，下车位于跨中，吊钩位于最高位，起重量250t，自重冲击系数1.05，动载系数1.056。其计算结果如图5、6所示，最大位移为55.2mm，最大应力为180.6MPa，大车最大轮压（受力）411kN，最小轮压391kN，小车最大轮压502kN，最小轮压460kN，钢丝绳拉力328.5kN。

按照如上的方法可以分别计算出8种工况下的受力分析，这里不一一列举。

图6 整机应力云图（单位M P a）

4 结论及分析

经过有限元分析，得出了该起重机在8种工况下的受力及位移结果，得出以下结论：

1）考虑自重影响，对该设备承受地震载荷作用下的应力计算，根据GB／T3811-2008，有地震引起的载荷为第三类载荷，应力强度满足：σ＜σb／3，根据计算结果可知满足要求。

2）起升机构钢丝绳模拟采用Link10受拉杆单元，用16根杆单元来模拟实际起升机构的钢丝绳卷绕系统，这种模拟方式能够很好模拟桥式起重机在地震情况下的震动情况，但钢丝绳受力和实际情况下钢丝绳受力有一定的差别，虽计算结果钢丝绳受力偏大，但在地震计算和抗震计算下提取的钢丝绳受力可作为理论计算的参考。

3）对整机来说，通过抗震工况计算工况下大车轮压值，可以判断大车和小车在最大操作负荷加极限安全地震（SL-2）引起的载荷条件下能保持在各自的轨道上，不碰建筑物，也不掉落零件。

综上所述，在特定工况下，该电动双梁起重机能够满足强度要求与屈曲稳定性要求，满足安全工作条件。

［1］GB50267-1997核电厂抗震设计规范［M］.国家地震局.北京：中国计划出版社，1998.1.

［2］GB／T3811-2008起重机设计规范［M］.北京：中国标准出版社，2008.10.1.

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