门式启闭机门架的有限元分析及结构改进

张太萍， 王奋追， 郭永才

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；

2.郑州华林清污起重设备有限公司，河南 郑州 450052)



门式启闭机门架的有限元分析及结构改进

张太萍1， 王奋追2， 郭永才1

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；

2.郑州华林清污起重设备有限公司，河南 郑州 450052)

摘要：针对亭子口泵站的2×1 600 kN单向门式启闭机门架，应用Pro/Engineer软件建立了初步设计的门式启闭机门架的几何模型，在Ⅱ类和Ⅲ类载荷按实际情况组合成的7种不利工况下，由有限元分析软件ANSYS对门架结构的应力和变形进行分析.结果表明，该门架出现挠度超过许用值的现象，此研究结果为结构改进提供了理论依据.目前经过改进设计的门架已经过调试和现场负荷试验，运行良好.

关键词：启闭机门架；组合工况；结构改进

作为门式启闭机(以下简称门机)的主要承重结构——门架，其设计的可行性和可靠性对门式启闭机安全有效的工作和经济效益有着重要的影响.全面了解门机门架在工作过程中的强度和刚度分布情况，对设计和改进门架结构，进而优化整个门机具有重大意义.对于门架的设计，目前有学者根据启闭机的应用场合设计开发了相关的智能设计系统[1]，但因水电站情况各异，设计参数众多，参数之间又可能存在着相互影响的关系，因此总得不到令人满意的设计效果.文中采用Pro/Engineer建立了亭子口泵站门式启闭机门架的几何模型，利用大型有限元软件ANSYS分析计算了QM 2×1 600 kN单向门机门架结构在各种不利工况下的强度和刚度及应力和应变，分析计算所得结论为该门机门架结构的改进设计提供依据.

1门架结构的几何模型

1.1　门机主要技术参数

该启闭机的主要技术参数有：主起升机构额定启闭力为2×1 600 kN(包括自动挂钩梁)，总起升高度为65.0 m，主起升机构的起升速度为2.5~5.0 m/min，回转吊额定提升力为1 000 kN，回转吊的起升速度为5~10 m/min，轨距为20 m，门机大车轨顶高程为465.0 m，材料为Q345B.取弹性模量E=2.06E+11 Pa，泊松比μ=0.3.

1.2　门架设计方案

工字钢翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强，且截面形状能节省大量的材料，目前各种不同型号和大小的工字钢都可直接采购.箱型梁具有结构紧凑，刚度大，抗扭性能好，可实现自动焊接.

为保证门架具有足够的强度和刚度，根据经验和初步计算结果，对启闭机门架的主梁、端梁、门腿、中横梁、回转吊上支撑梁、下支撑梁、回转吊支柱、下横梁选用箱型梁，现场进行焊接.因小梁受力小，腹板取薄时可节约金属用量和减轻结构重量，故采用工字钢，同时也可提高其抗弯性和稳定性.

1.3　模型的建立

该启闭机结构复杂，建立既有利于分析计算结构强度和刚度，又能比较真实地反映门机实际工作状况的简单有效的有限元分析模型[2].故根据门机的具体结构特点，省略格子板及加强筋板，进行实体建模.

2门架的结构强度和刚度分析

利用Pro/Engineer软件建立门架的几何模型，如图1所示.

1—主梁；2—回转吊上支撑梁；3—回转吊下支撑梁；4—回转吊支柱；5—下横梁；6—门腿；7—中横梁；8—端梁； 9—小梁

2.1　载荷及工况

门架校核按最不利组合工况进行加载，取起升载荷动载系数φ2=1.05，运行冲击系数φ4=1.2[3].

表1是Ⅱ类载荷组合和Ⅲ类载荷组合情况下材料的安全系数和许用应力.

表1　材料的安全系数和许用应力值

门机起升机构及机房总重约785 kN，二者重量简化为8个均分作用力作用在门架上，考虑门架自重.风载时考虑风力系数，组合工况见表2.

表2　7种组合计算工况

2.2　强度分析

该门架为刚性结构，按照σ≤[σ]，τ≤[τ]的原则进行强度分析.根据门架的实际受力特点，对4门腿下端建立铰支点，其中回转吊所在前端面的两门腿采用垂直方向约束的铰支，其余2门腿采用3个方向约束的铰支.对主钩、副钩受力作集中力施加在相对工况的危险位置，如图2所示.

图2　各种工况下门架的受力情况

表3列出了各工况最大应力及许用应力.结合图2及表3可知：门架在7种工况下，工况1和工况2的最大应力出现在回转吊上支承与门架主梁结合处；工况3和工况4下，门架最大应力为局部集中应力，出现在回转吊所在门腿中横梁与该门腿结合处，局部最大集中应力小于许用应力；工况5，6和7下，门架最大应力为局部集中应力，出现在端梁与主梁结合处，工况7中小梁受力最大，为161.6 MPa；7种组合工况下，最大应力都小于许用压力，满足要求.

2.3　刚度分析

零件的弹性变形量小于或等于许用的弹性变形量，用y表示挠度，y≤[y].门机结构刚性通常指结构的静刚度和动刚度，在进行结构设计时一般只考虑静刚度[4].门架在各种工况下的位移如图3所示.

表3　7种工况应力值　MPa

图3　各种工况下门架的应变图

表4列出了各工况下的最大挠度及许用挠度.结合图3及表4可知：工况1与工况2下的门架最大应变出现在回转吊拉杆与门架上回转吊上支承梁支铰处，根据文献[3]算得的许用挠度为39 mm，满足要求；工况3与工况4下的门架最大应变为上游侧主梁端头相对于门腿与下横梁结合处，满足要求；工况5，6与7下的门架最大应变出现在小梁上，挠度均超许用值.

表4　7种工况应变值　mm

3结构改进及试验

在工况5，6，7中，小梁应力均满足要求，但挠度均超过许用值.尤其在工况7中，小梁受力最大，应力和挠度均为7种典型工况中最大值，需对小梁进行改进，将小梁由工字梁改为箱梁，增大其惯性矩.图4和图5为工况7时小梁改为箱型梁的模拟结果.

图4　改进后小梁应力图

由图4和图5可看出：沿Y轴负方向上的最大变形约为2 mm，许用挠度为3.3 mm，满足要求.最大变形为腹板受力后往X轴正、负两侧方向变形，因此小梁内部，尤其是垫板下部需增加加强筋板，防止腹板发生过大变形而失稳.

图5　改进后小梁应变图

对更换小梁后的整体结构进行分析.结果表明，该门架的受力情况和刚度都满足要求.改进后的门式启闭机如图6所示.

图6　安装测试后的门式启闭机门架

在亭子口泵站由郑州华林清污起重设备有限公司现场组装、调试并进行门机负荷试验及试运行，静载试验按额定载荷的75%，100%，125%进行，动载试验按额定载荷的75%和110%进行[5].在试验过程中对门架结构进行了应力和应变检测.检测结果表明，该门机负荷试验的各项试验指标均达到设计和规范要求.

4结语

文中对门架在7种不利工况下的应力和应变进行定量分析，直观地观察到门架各个部分的受力和变形情况.对不满足要求的小梁进行了截面形状的改进设计，改进后的小梁满足使用要求，且对保证门架使用性能起到了很好的作用.同时，有限元分析为门架的设计提供了一个直观的、现代化的辅助手段，大大缩短了研发周期.

参考文献

[1]陶晶．门式启闭机智能设计系统的研究[J]．湖北理工学院学报，2014，30(2)：42-46．

[2]张胜民．基于有限元软件ANSYS 7.0结构分析[M]．北京：清华大学出版社，2003．

[3]中国机械工业联合会.GB/T 3811—2008起重机设计规范[S].北京：中国标准出版社，2008．

[4]胡友安,徐婷,顾晓峰．门式启闭机门架结构静、动力学分析[J]．华电技术，2012，34(2)：16-21．

[5]水利部水工金属结构质量检验测试中心.SL 381—2007水利水电工程启闭机制造安装及验收规范[S].北京：中国水利水电出版社,2007.

(责任编辑:杜明侠)

Finite Element Analysis and Structure Improvement of Portal Frame of Gantry Crane

ZHANG Taiping1, WANG Fenzhui2, GUO Yongcai1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;

2.Zhengzhou Hualin Grid-cleaner Machine and Crane Equipment Co.Ltd., Zhengzhou 450052, China)

Abstract:For the portal frame of 2×1 600 kN one-way gantry crane in Tingzikou pumping station, the software Pro/Engineer was used to establish the geometric model of preliminary design, and the stress and deformation of the portal frame of gantry crane were analyzed by the software ANSYS under 7 kinds of unfavorable combining conditions of the second kind of loads and the third kind of loads. The results show that the deflection of the portal frame exceeds the allowable value, and that provides a theoretical basis for improving the structure. At present, the improved portal frame has been debugged and done on-site load experiments, the results show the portal frame runs well.

Keywords:portal frame of gantry crane; combination conditions; structural improvement

中图分类号：TH213.5;TV664+.3

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)02-0080-04

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.017

作者简介：张太萍(1981—)，女，宁夏中卫人，讲师，硕士，主要从事机械设计及自动化方面的研究.

收稿日期:2014-11-19