一种单悬臂起重机有限元与抗倾覆性能分析

摘 要：通过对一种单悬臂起重机静力分析，完成了主梁两种工况的应力和最大挠度计算以及在不同风力等级下起重机的抗倾覆校核。通过分析，该起重机设计符合要求，保证设备运行的安全稳定。利用MIDAS软件可以方便的进行起重机主梁应力分析与挠度求解，为起重机设计提供参考。

关键词：单悬臂；门式起重机；有限元；静力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.192

0 引言

单悬臂门式起重机的主梁长度大于起重机的跨度，悬臂根据施工需要或场地限制设置在起重机一端，主要承担地隧道内的施工渣土的吊运与倾倒、模板管片吊运、盾构施工的材料和构件等器材的垂直运输[1-2]。为了保证设备使用过程中的稳定与可靠性，必须对其在各种工况下结构强度等进行计算分析[3]，从而为研究单悬臂起重机的结构设计和工程实践提供参考。

一种单悬臂门式起重机为某城市地铁施工专用双梁门式起重机，该起重机整体为箱梁焊接及螺栓连接，起重量45t（挂梁滑轮以下），跨度24m，主梁下净空高12m，起升速度9 m/min，大车（整机）走行40 m/min，小车（天车）走行40 m/min，工作制度为A6（重级）。

1 有限元分析与计算

由于起重机结构较为复杂，传统计算手段需要多种假设条件，难以获得符合工程实际的准确结果，因此本设计采用有限元分析方法，借助MIDAS软件完成主梁结构的静力学分析研究。

1.1 主梁应力分析

利用MIDAS有限元分析软件对主梁进行强度计算，首先建立模型，定义材料属性（本机采用Q345B材料），使用板单元进行单元定义，完成约束条件和加载。根据起重工况不同，分别求解移动载荷位于悬臂段和在主梁跨中位置的主梁应力分布状况。计算结果如图1、2所示。

经过计算分析，当移动载荷位于悬臂段时主梁最大应力值为88 MPa，根据强度校核条件[4]，选取的安全系数为1.5，88MPa<=230（MPa）满足强度要求；当移动载荷在主梁跨中时，主梁最大应力值为66 MPa，根据强度校核条件66MPa<230（MPa）= 满足强度要求。

1.2 刚度计算

根据起重工况，分别求解移动载荷位于悬臂端和主梁跨中位置的主梁挠度状况。计算结果如图3、4所示。

经计算移动载荷在主梁悬臂端最大挠度15mm≤满足要求；当移动载荷在主梁悬臂端最大挠度18mm≤满足要求。

2 起重机抗倾覆稳定性计算

该起重机的单悬臂结构，其抗倾覆稳定性进行计算校核，主要考虑以下两类工况：

（1）纵向工况1：悬臂平面，无风静载。此工况小车位于悬臂端，起吊额定起升载荷。

其中PQ为额定起重量；G1为桥架自重；G2为小车自重；KG为自重载荷的载荷系数；KP为起升载荷的载荷系数；a为小车重心至支撑点的距离；c为桥架重心至支承点的距离。由于计算结果大于0，根据起重机设计规范，此工况满足抗倾覆稳定性要求。

（2）横向工况：大车走行方向，暴风侵袭。此工况考虑起重机锚固未工作，受暴风侵袭12级大风，横向大车走行方向，抗倾覆稳定性校核计算式为：

式中为横向作用于桥架及小车上的风力；为桥架及小车横向挡风面积自支腿铰接点量起的形心高度；B为同轨两走行机构中间位置轴距；计算结果大于零，该起重机在锚固状态下可抵抗暴风侵袭不发生倾覆。该设备已经在某沿海城市投入使用1年多，运行状况良好，工作状态稳定。

3 结论

对一种单悬臂门式起重机不同工况的应力与挠度计算，以及不同风力状态下起重机的抗倾覆计算，计算结果表明，设备设计符合相关要求，能够保证设备运行的安全可靠。其结果可应用于同类单悬臂地铁用起重机静力及稳定性分析，为工程实践提供参考。

参考文献：

[1]冯国臣，冯超.新型地铁施工用龙门起重机[J].交通建设与管理，2009（Z1）：37-39.

[2]范小宁，戚其松，徐格宁，王君.门式起重机金属结构参数化有限元分析及设计[J].起重运输机械，2015（02）：55-61.

[3]裴寶浩，张为春，马兵兵，杜贤斌，陈杰.起重机车架结构的优化及模态分析[J].起重运输机械，2012（09）：67-69.

[4]《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册（第三版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2004：13-14.

作者简介：陈佰江（1981-），男，硕士，教师，讲师，工程师，从事机械设计及制造教学与研究工作。endprint