造船门式起重机上小车轨道两侧轮压差对整机的影响

李　敢

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)



造船门式起重机上小车轨道两侧轮压差对整机的影响

李敢

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)

由于风载荷、惯性力及上小车两吊钩之间允许吊重差的存在，必然会引起上小车轨道两侧轮压的差异。如果起重机主梁采用单梁结构型式，两侧轮压的差异只会对主梁产生附加扭矩，对强度影响较小；如果结构采用双梁型式，受力情况就较严重。主梁除了会产生附加扭矩外，还会因小车两侧轮压的差异产生较大的挠度差。

近年来，随着造船工业的发展，船厂大型门式起重机的起重能力和跨度越来越大，尤其是跨度，早已经超过了200 m。上小车轮压差对整机的影响应引起足够的重视。

本文主要以某船厂900 t×176 m双梁造船门式起重机为例，对上小车轨道两侧轮压差的产生及对整机的影响进行分析。双梁门式起重机上、下小车布置图见图1。

1上小车轨道两侧轮压差的产生原因及计算

1.1　风载荷引起的小车轮压差

图1　上、下小车布置图

当风载荷沿大车轨道方向作用于小车和物品上时，小车的风载荷：

PxcWⅡ=CpⅡA=19kN

式中，C是小车或物品的风力系数；pⅡ是工作状态最大风压，单位为kN/m2；A是小车或物品的迎风面积，单位为m2。

物品的风载荷为：

PwpWⅡ=CpⅡA=81 kN

风载荷引起的上小车轮压为：

式中，Hxc是小车风载荷作用点至小车轨顶高，单位为m；Hdhl是小车定滑轮组至小车轨顶高，单位为m；Bsxc是上小车的轨距，单位为m。

1.2　惯性力引起的小车轮压差

当起重机沿大车轨道方向起制动时，小车的惯性力：

PxcG=mxca=21kN

式中，mxc是小车的质量，单位为t；a是起重机起制动的加速度，单位为m/s2。

物品的惯性力：

PwpG=mwpa=38 kN

式中，mwp是物品的质量，单位为t。

惯性力引起的上小车轮压为：

式中，Hm是小车重心至小车轨顶高，单位为m。

1.3　上小车两钩吊重差引起的小车轮压差

当上小车两钩存在吊重差ΔQ时，上小车由吊重差引起的轮压分别为：

R2=ΔQ-R1=1 230 kN

式中，A是上小车的钩距，单位为m。

1.4　作用在上小车一侧轨道梁上总轮压的计算

当上小车两钩分别吊重Q+ΔQ和Q时，考虑风载荷、惯性力和上小车两钩吊重差引起的轮压差，作用在上小车两侧轨道梁上的总轮压分别为：

式中，G是小车的重量，单位为kN。

由上述结果可以看出，由于风载荷、惯性力及上小车两钩吊重差的存在，使起重机两根主梁上承受的上小车轮压差异很大。承受较大轮压的一侧要比另一侧多1 644 kN(约42%)。

2上小车轨道两侧轮压差对整机的影响分析

在分别得到上小车轨道两侧的总轮压后，就可以使用AYSYS有限元分析软件对900 t×176 m造船门式起重机建模计算，以分析上小车轨道两侧轮压差对整机的影响。

2.1　模型的建立、约束及加载

主梁、刚性腿、柔性腿和行走机构简化梁采用BEAM188单元；维修吊等固定载荷简化为MASS21质量单元。900 t×176 m门式起重机结构有限元模型图见图2。

图2　起重机结构有限元模型图Figure 2　Finite element model of crane structure

约束行走简化梁的底部共8个节点。约束8个节点竖直方向和沿着小车轨道方向的平动自由度。约束其中4个节点沿大车轨道方向的平动自由度。

上小车作用在前侧主梁上的总轮压为5 522 kN，后侧主梁上的总轮压为3 878 kN，上小车位于主梁中部。下小车作用在前侧主梁上的总轮压为700 kN，后侧主梁上的总轮压为700 kN，下小车位于主梁中部。

2.2　对主梁结构承载能力的影响

两根主梁的应力云图见图3。前侧主梁最大应力83.2 MPa，后侧主梁最大应力66.8 MPa。承受较大轮压的一侧主梁要比另一侧主梁应力大16.4 MPa，约25%左右。

2.3　对小车轨道相对位置的影响

两根主梁的下挠度见图4。上小车两侧轨道的下挠度分别为218 mm和168 mm，挠度差为50 mm。下小车两侧轨道的下挠度分别为204 mm和169 mm，挠度差为35 mm。

上、下小车的挠度差会引起小车的横向倾斜，上、下小车的倾斜度分别为50/11600=4.3‰和35/3000=11.7‰。可以看出挠度差引起小车的倾斜程度非常严重，必须予以重视。

图3　两根主梁的应力云图Figure 3　Stress cloud charts of two girders

图4　两根主梁的下挠度Figure 4　Below bending of two girders

3结语

(1)风载荷、惯性力及上小车两钩吊重差使起重机两根主梁上承受的上小车轮压差异很大。承受较大轮压的一根主梁要比另一侧主梁大40%左右。上小车两钩吊重差是产生轮压差的主要因素。

(2)上小车轨道两侧轮压差引起两个主梁受力不均，承受较大轮压的一根主梁要比另一侧主梁应力大16.4 MPa，约25%。

(3)由于上小车轨道两侧轮压差的存在，两侧的轨道梁将产生较大的挠度差。上小车两根轨道的挠度差为50 mm，下小车两根轨道的挠度差为35 mm。

(4)上、下小车的下挠度差将引起小车的横向倾斜，上下小车的倾斜度分别为4.3‰和11.7‰。可以看出挠度差引起小车的倾斜程度非常严重。

(5)小车的横向倾斜必然对主梁的受力、小车行走、起升卷筒和定滑轮组钢丝绳的出绳角等产生很大的影响，必须予以重视。

参考文献

[1]GB/T 3811-2008 起重机设计规范[S].

[2]张质文,虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M]. 北京:中国铁道出版社，2001.

[3]龚曙光. Ansys操作命令与参数化编程[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

编辑杜敏

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摘要：由于风载荷、惯性力及上小车两吊钩之间允许吊重差的存在，必然会引起上小车轨道两侧轮压的差异。如果起重机主梁采用双梁型式，受力情况就较严重。主梁除了会产生附加扭矩外，还会因小车两侧轮压的差异产生较大的挠度差，进而引起小车横向倾斜等问题。因此，上小车轮压差对整机的影响应引起足够的重视。

关键词：造船门式起重机；ANSYS；轮压差

Effect of Wheel Load Difference at Opposite Sides of Upper Trolley Track for Ship-building Gantry Crane on Complete Set

Li Gan

Abstract：Because of factors of wind load, inertia force and permissible hoist load difference between the hooks of upper trolley existing in ship-building gantry crane, wheel load difference at opposite sides of upper trolley has been taken place. The situation could become worse if twin-girder configuration of the crane has been applied for that the girder would raise additional torsion as well as more bending difference resulted from wheel load difference further lateral tilt and other issues have been caused. Therefore effect of upper trolley wheel load difference on complete set should be supposed to emphasize enough.

Key words：ship-building gantry crane; ANSYS; wheel load difference

作者简介：李敢(1981—)，男，硕士，工程师，起重机设计。

收稿日期：2014—08—11

中图分类号：TH213.5

文献标志码：A