弧弦梁的研究及其在起重机主梁上的应用

2014-12-19 01:45蒋连海李新华
制造业自动化 2014年7期
关键词:力图主梁起重机

蒋连海,李新华

JIANG Lian-hai,LI Xin-hua

(中南林业科技大学 机电工程学院,长沙 410004)

0 引言

普通的简支梁(文章中称为平直梁)加上铅直方向的负载,梁受到竖直向下的力产生较大弯矩。本文提出的新型结构的梁——弧弦梁,能够把竖直方向的力分解成弧的径向力跟切向力,这样减小了梁受到你弯矩。但切向的力会产生水平分力,这个分力会加大车轮与轨道的外向挤压力,为了解决这个问题,在梁的下方设计一根拉杆,这样就可以抵消挤压力,从而保证受力平衡。现在国内起重机设计基本采用许用应力法设计[1],设计比较保守,导致产品“笨、大、粗”。这不符合我国的节能减排的产业发展政策。笔者提出的弧弦梁跟平直梁相比,主梁的受力状况得到改善,能起到更好的承载作用。在力学上,相当于把力分解为较小的力,这样就能省却重量,还可进一步进行优化,使主梁生产更经济。

1 理论分析

1.1 弧弦梁的受力示意简图

图1 弧线梁的受力示意图

如图1所示的弧线梁的受力示意图,弧可以是圆弧,也可以是抛物线,这里以后者为例。抛物线的方程为[2]:

根据受力图可知:F1=G×sinα,F2=G×cosα,α=f'(x),F3=F1cosα sinα。弧不仅有竖直方向的变形还会有水平方向的变形趋势,拉杆AB就有效的阻止了水平方向的变形。

可知弧把受到的竖直向下的力G分解成弧的径向力F2跟切向力F1以及拉力F3,因此弧受到的弯矩减小,轴力有所增大,但它不会超过F2。因此梁的受力状况有所改善。

1.2 简支梁的弯矩[3]

1.3 弧形梁的弯矩[2]

因为g(x)=4α-5K(α-2α3+α4)是减函数,所以当,即跨中时弯矩最大,此时α=0。

1.4 两者弯矩对比

即M2max<M1max,因 为,I2=I1/cosα[4~8],y1>y2,所 以,显然σ2<σ1,即弧弦梁的弯曲应力比平直梁小。

2 在起重机主梁上的应用

某型起重机主梁的跨度L=22500mm,小车轮距B=2400mm,腹板高度h=1150mm,相邻两大隔板的距离W=1500mm,小车质量,额定起重质量。改成弧弦梁时f=h/2,。主梁截面的初始数据为 t1=12mm,t2=10 mm,t3=6 mm,b=550 mm,h=1150mm[9]。

2.1 两种主梁外形图

2.1.1 平直主梁的外形图及主梁的截面[10]

图2 主梁的外形图

图3 主梁的横截图

2.1.2 弧弦主梁的外形图截面同直线梁

图4 弧弦梁的外形图

2.2 起重机平直梁的受力[11]

平直梁其受力简图如图5所示。

图5 平直梁受力简图

2.3 起重机弧弦梁的受力

弧弦梁其受力简图如图6所示。

图6 弧弦梁受力简图

3 用ANSYS建模分析验证

3.1 建模分析

1)根据相关参数在ANSYS 中建立好模型[12,13],设置相关参数[9],设置网格的大小为100mm,可划分主梁为59856个单元。

2)把梁的两端全约束[14]。

3)根据实际经验,额定载荷工况下,小车满载位于主梁跨中位置时主梁处于最危险状况[15]。所以载荷加在跨中。并在Z向施加重力加速度,大小为9.8m/s2。然后求解。

3.2 分析结果对比

图7 平直梁等效应力图

图8 弧弦梁等效应力图

本梁的安全系数n=1.4,所以许用[σ]=235/1.4=167.9MPa,许用扰度[f]=22500/1000=22.5mm。图7为平直梁等效应力图,从图可知最大等效应力为166MPa,最大变形12.413mm,可知基本没有优化的裕量。此时主梁的重量为4857.1875kg。图8为弧弦梁等效应力图,从图可知最大等效应力为112MPa,最大变形14.034mm,此时主梁的重量为4361.07535kg。且还可以从尺寸方面进一步优化。

4 结束语

从分析结果可知,弧弦梁比直线梁强度有了一定程度的提高,刚度有所减小。总的来说这种新型结构不仅可以改善主梁的受力状况,还能够节省材料,较大的降低了生产成本。而且可以还可以进一步优化。更多的降低成本。

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