电动单梁起重机主梁的结构改进与有限元分析

河南工学院机械工程系 河南新乡 453003

LD型电动单梁起重机性价比高，使用方便，结构轻巧，目前应用范围较广［1］。统计数据显示，国内目前使用的起重机械中，有70%是电动单梁起重机，说明电动单梁起重机已经成为施工过程中不可缺少的起重设备［2］。但是，目前的LD型电动单梁起重机∏型主梁多数采用压制成型及多段拼焊的工艺制作而成，耗能高，效率低，如何改进主梁制作工艺，并使其能够满足现代化生产需求，是一个需要迫切解决的问题。

1 传统主梁结构

目前，我国生产的LD型电动单梁起重机主梁大多数是箱型实腹梁，采用压制的∏型槽钢和工字钢组焊而成，电动葫芦以工字钢下翼缘板作为轨道［3］。主梁截面如图1所示。

▲图1 传统主梁截面

2 传统主梁制作工艺

对于传统的LD型电动单梁起重机，用5～6 mm厚的Q235钢板在专用压胎上压制成∏型槽，将若干个∏型槽拼焊加长，然后焊接筋板、工字钢，再焊接两侧板，最后焊接连接板而形成主梁。传统的∏型槽制作工艺为：矫正钢板→预处理→下料→压力机压制∏型槽→焊接接长∏型槽→焊接筋板等→后续工序。

传统制作工艺中，因为主梁∏型槽的槽长受到剪板机剪口长度及压力机工作台长度的制约［3］，所以∏型槽较短，要达到所需长度，需人工将多个∏型槽拼焊在一起，从而增加了主梁的纵向焊缝。可见，传统的∏型梁制作工艺存在以下缺点：主梁纵向焊缝较多，容易产生焊接缺陷；产品质量较低；劳动强度大，生产效率低；污染严重。

3 改进后主梁结构

改进后的主梁∏型槽使用冷弯成型的生产工艺，一次性连续加工而成。为了提高主梁的承载能力，采用在主梁∏型槽的三条边上分别加上弧形槽的结构，其截面如图2所示。应用该结构可省去传统工艺中焊接纵向加强筋的工序。

▲图2 改进后主梁截面

4 改进后主梁制作工艺

随着科技的不断发展，冷弯成型技术以节能、环保、高效等特点得到了广泛应用［4］。改进后的主梁∏型槽采用一次性冷弯成型工艺。冷弯成型是板类金属加工的重要方法之一，将卷料或单张板料放入由多对具有一定形状成型轧辊组成的成型机，使坯料逐步弯曲变形，最终得到均一截面产品［5］。因为改进后的主梁∏型槽三条边上各加了一个弧形槽，为实现弧形槽的加工，在∏型槽制作过程中需要在冷弯成型机中增加三个纵向弧形槽成型辊。制作工艺为：开卷机开卷板→矫平机矫平→剪板机剪板→对中→辊式冷弯成型→牵引输送→焊接筋板等→后续工序。

全流程采用可编程序控制器控制，自动化程度较高，并且改进后的主梁∏型槽采用冷弯成型技术，通过冷弯机加工，不需要进行多个∏型槽的对接焊接，因而主梁的生产效率及质量均得到了明显提高。

5 有限元建模分析

5.1 建模

以LD型电动单梁起重机主梁为研究对象，应用SolidWorks软件进行三维建模。首先对构成主梁的零件进行单个建模，然后采用自上而下的装配形式逐个进行装配，建立的主梁模型如图3和图4所示。

主梁三维模型建立完成之后，采用SolidWorks Simulation对主梁进行结构分析。

▲图3 传统主梁三维模型

▲图4 改进后主梁三维模型

5.2 设置材料属性

起重机械钢结构的材料主要有低合金结构钢和普通碳素钢两种。电动单梁起重机钢结构所用的材料大多为Q235钢，因此定义材料为普通碳素钢［6］，设置模型类型为线弹性各向同性，定义材料弹性模量为210 GPa，泊松比为 0.28。

5.3 施加载荷和约束

起重机主梁通常被简化为简支梁形式，因此载荷类型设置为固定几何体形式。当小车满载运行至主梁跨中时，主梁处于最危险工况［7-8］，因此将载荷施加在主梁工字钢的下翼缘表面上，所施加力的大小为小车额定起重力与电动葫芦重力之和。电动葫芦的重力为4 900 N，小车额定起重力为49 000 N，可得总施加力为53 900 N。

5.4 网格划分

设置网格密度为良好，网格参数设置为基于曲率的网格，并且进一步指定网格单元的大小，网格的雅可比点选取4点。

5.5 分析结果

表1列出了改进前后主梁的应力和挠度，其中的参数是在SolidWorks Simulation中提取的，最大应力和最大挠度均是在起重小车满载并位于主梁跨中时提取的。

由表1可知，改进后主梁应力和挠度比改进前主梁应力和挠度小，即改进后主梁的强度和刚度提高了。

表1 改进前后主梁应力和挠度

5.6 结果验算

有限元分析后，再通过静力学方法来验证主梁的有限元分析结果。

起重机主梁所用材料为Q235钢，对于塑性材料，强度可以按下式计算［9-10］:

式中：［σ］为材料许用应力；σs为起重机钢材屈服强度；ni为安全因数，取ni=1.33。

Q235钢的屈服强度为235 MPa，经计算，许用应力［σ］约为 177 MPa。

主梁挠度f的计算式为：

式中：［f］为许用挠度；L为主梁跨度，取L=12 m。

经计算，主梁许用挠度［f］为17.2 mm。

通过静力学计算结果可以看出，当起重小车满载运行位于主梁跨中时，也就是在最恶劣的工况时，表1中改进前后主梁的应力和挠度均在允许范围之内。

6 结束语

经过分析，改进后主梁的强度和刚度相比传统主梁的强度和刚度有所提高。改进后主梁制造工艺简单，劳动强度低，生产成本低，减小了焊接产生的环境污染，创造价值可观，并且符合当今机械生产的发展趋势。