32/10 t-15 m门式起重机主体结构设计分析

葛俊礼，龙志成，尹 辉，郭勤先，胡小佳，刘达味，黄自松

(1.河北港口集团港口机械有限公司 河北 秦皇岛 066000；2.新疆德勤互力工业技术有限公司，新疆 乌鲁木齐 830022)

32/10 t-15 m门式起重机主体结构设计分析

葛俊礼1，龙志成2，尹 辉1，郭勤先1，胡小佳1，刘达味1，黄自松1

(1.河北港口集团港口机械有限公司 河北 秦皇岛 066000；2.新疆德勤互力工业技术有限公司，新疆 乌鲁木齐 830022)

对32/10 t-15 m门式起重机整机稳定性进行计算，并建立三维模型。基于静态设计-动态补偿计算方法应用Workbench有限元分析软件，对两种危险工况下的起重机主体结构进行受力分析，得到各部分应力云图和变形云图，对该起重机结构的设计方案进行验证，为起重机总体设计提供了可靠依据。

门式起重机；有限元；稳定性；应力；变形；

0 前言

门式起重机是一种重要的起重机械， 在多种行业中都有比较广泛的应用。作为一种大型承重机械，在施工中对其结构的强度和刚度有着非常高的要求， 因此对门式起重机结构的分析很有必要。针对国内某港务有限公司抓斗维修用门式起重机，其主体结构设计采用了港口起重机常用的静态设计——动态补偿的设计方法。能满足该设备的厂区内抓斗维修和进行开闭斗试验功能，保证了使用过程中设备满足强度、静刚度的要求。

1 起重机结构及设计参数

该门式起重机配有主、副两套起升机构，采用箱梁结构形式，支腿与主梁之间为刚性连接，行走机构与下横梁之间通过柔性铰连接，左侧支腿有司机室。其主体结构如图1所示。

32 t -15 m门式起重机主梁总跨度15 m,主梁底高15 m，基距8.5 m，共8个行走轮，每侧4个，每2个一组(轮中心相距700 mm)。维修抓斗规格：72 t抓斗、64 t抓斗、40 t抓斗。72 t抓斗的自重为24 t(不含开闭钢丝绳)，开闭实验最大起重量小于10 t，抓斗打开时最大高度7.339 m。，最大宽度5.898 m。基本设计参数见表1。

图1 门式起重机主体结构图

主钩副钩起吊重量/t3210跨度/m1515最大起升高度/m1412起升速度/m·min-10.5～5(变频)7运转速度/m·min-11.5～1520起重机最大宽度/m11起重机材料Q345B

2 整机稳定性计算

根据GB/T3811-2008，对于无悬臂梁的龙门起重机，仅需验算横向(大车运行)的非工作状态的稳定性。非工作状态的起重机受沿大车轨道方向的暴风侵袭。其抗倾覆稳定性校核计算式为

∑M=0.475(G1+G2)B-1.15F1h1≥0

(1)

式中，G1、G2为桥架和小车重力，分别为600 kN和48 kN，桥架重力包括除小车重力和大车运行机构重力以外的所有整机的重力；B为大车运行机构二台车与下横梁铰接孔中心距，B=8.5 m；F1为横向作用于桥架及小车上的风力(按非工作状态风压计算)；h1为桥架与小车横向挡风面积自支腿铰接点量起的形心高度,h1=12.4 m。起重机非工作状态下的最大计算风载为

(2)

式中，C1为主梁和支腿风力系数1.55；C2为其余结构风力系数1.2；Φ为挡风折减系数，取0.1；A1为主梁和支腿的迎风面积52 m2；A2为其余结构迎风面积28 m2；q为非工作状态下的最大计算风压，q=800 N/m2；

抗倾覆稳定性校核计算为

∑M=970 510 N·m>0

(3)

所以该工况抗倾覆稳定性满足要求。

3 主体结构静力分析

3.1 建立计算模型并划分网格

根据设计图，应用Solidworks建模软件建立32/10 t-15 m门式起重机主体结构分析模型。建模时力求精确，以避免模型对计算结果的影响。导入Workbench中的静结构分析模块并划分网格， 本吊机门架结构有限元模型共离散为62 952个单元，293 568个节点，如图2所示。

图2 起重机网格图

3.2 载荷组合

针对该起重机的计算类别和要求，采用第Ⅱ类载荷组合进行计算。即起重机起吊额定起重量的物品，克服最大静阻力，猛烈启动和制动，受工作状态下的最大风压作用，轨道或路面状况不好，爬越最大坡度。本文强度校核采用许用应力法，即弹塑性材料许用应力为

(4)

式中，σs为材料的屈服极限[1]；ns为安全系数。在结构受载荷组合Ⅱ时，安全系数取1.33，小车材料为Q345，则许用应力为259MPa。

进行静力分析时，通常选取在实际工作中可能面临的最不利的工况，通过分析各结构的应力与变形，检验其在各种工况下的强度与刚度是否满足要求。由此，对于该起重机，选取主、副两套起升机构位于跨中满载和主、副两套起升机构位于主梁左极限满载两种工况，分析门架结构所受的载荷。

天车位于跨中满载工况为工况1，受到的载荷为：门架结构(含司机室、梯子栏杆)自重，主副两套起升机构、吊具、载重量以及风载荷。主副两套起升机构、吊具及其载重量施加在跨中主梁最中间位置。司机室及司机室平台重量施加在门架左侧支腿上，梯子栏杆重量均布添加到主梁上表面。主副两套起升机构位于主梁左极限满载工况时为工况2，此时龙门吊受到的载荷为：主副两套起升机构、吊具及其载重量施加在跨中主梁最左侧位置，其余载荷与工况1相同[2-3]。

由于门式起重机工作受力的特点,计算时只需对起重机的行走铰点轴面施加全约束。部分计算载荷见表2。

表2 计算载荷表

3.3 门式起重机主体结构静力分析及有限元计算结果分析

图3 工况1等效应力分布云图

图4 工况1等效变形分布云图

图5 工况2等效应力分布云图

图6 工况2等效变形分布云图

将对应计算载荷施加到有限元模型上进行求解，经Workbench静力分析计算，得出两种危险工况下，该门式起重机主体结构的等效应力值及变形值如图3～图6所示。计算结果中的等效应力为第四强度理论—形状改变比能理论所得应力值。根据起重机设计规范，对于使用较频繁的龙门吊，其工作级别为A6，对A6级起重机，主梁垂直静挠度f与主梁跨度L的关系[4，5]为

f≤L/800

(5)

式中，L为跨度，15m。由式(5)可知，此时主梁允许垂直静挠度不得大于18.75mm。

从图3可以看出，工况1时吊机在运行时，除去应力奇点，整体等效应力不超过30MPa，主梁受最大等效应力为25MPa，发生在有副起升机构主梁中间内侧部位，小于许用应力259MPa，因此工况1情况下，门架结构强度满足要求。从图4 可以看出，结构最大变形发生在两个上端梁上，变形量为3.3mm，小于容许挠度18.75mm，故此工况1时门架刚度满足要求。同样，分析工况2计算结果：从图5 可以看出，在工况2时，门架结构除去应力奇点，整体等效应力不超过30MPa，主梁最大受等效应力为23MPa，发生在有副起升机构主梁左内侧部位，小于许用应力。由图6 可知，结构最大变形量为2.4mm，发生在主梁中部偏左位置，小于容许挠度。因此工况2情况下门架强度和刚度也均满足要求。

4 结语

(1)对32/10t-15m门式起重机整机稳定性进行计算，并通过有限元分析软件Workbench对两种工况下龙门吊受力状况进行计算，得到各部分受力云图和变形图，两种工况下最大等效应力分别为25MPa和23MPa，两种工况下最大等效变形分别为3.3mm和2.4mm，参照起重机设计规范中，得出最大等效应力和总变形均在允许的范围内，其刚度和强度满足设计要求；

(2)通过计算得到最大垂直静挠度，为主梁的上供设计提供理论数据支撑；

(3)应用Workbench有限元分析方法能够对起重机结构的设计方案进行验证，为起重机总体设计提供了可靠依据。

[1]GB3811-1983，起重机设计规范[S].

[2] 王金诺,于兰峰.起重运输机金属结构[M].北京:中国铁道出版社，2002.

[3] 刘会议,黄府.特大型龙门吊主梁结构优化设计[J].设计与研究,2013,40(11):35-45.

[4] 刘金萍.龙门吊结构有限元分析[J].机械管理开发,2014，126(06):23-25.

[5] 刘力.悬臂式龙门吊结构的有限元分析[J].机械工程师,2013,(07):100-102.

Main structure design and analysis of 32/10 t-15 m gantry crane

GE Jun-li1, LONG Zhi-cheng2，YIN Hui1, GUO Qin-xian1, HU Xiao-jia1, LIU Da-wei1, HUANG Zi-song1

(1. Hebei Port Group Port Machinery Co., Ltd, Qinhuangdao 066000, China； 2. Xinjiang Deqin Huli Industrial Technology Co., Ltd., Urumqi 830022, China)

The stability of 32/10t-15m gantry crane was calculated and a 3D model was developed. Based on the method of static design-dynamic compensation, the stress of main structure was analyzed by using the finite element software named Workbench when gantry crane was working on two dangerous conditions, then the stress cloud and deformation cloud were obtained to verify the structure design of gantry crane. So it can provide a reliable basis for the overall design of gantry crane.

gantry crane; finite element; stability; stress; deformation

2016-05-16；

2016-07-09

葛俊礼(1985-)，男，博士，河北港口集团港口机械有限公司研发部。

TH213.5

A

1001-196X(2017)03-0074-04