加劲肋对起重机主梁静动态特性影响研究

李荣强，吴淑芳，高 鑫，王靖宇

(1.中北大学机械工程学院，山西 太原 030051)(2.山西省起重机数字化设计工程技术研究中心，山西 太原 030051)

桥式起重机主要是应用于装卸和搬运物料的机械设备，其能在减轻工作量的同时完成一些人类无法完成的繁琐任务，因此广泛应用于如钢铁、冶金、建材等行业，被称为工业企业的“脊梁”[1-2]。箱梁结构主要由上(下)翼缘板、主(副)板、横(纵)向加劲肋焊接组合而成，是桥式起重机经常采用的结构，因此对箱梁结构进行应力分析成为研究起重机主梁不可或缺的部分。

凡是运动中的机械都存在程度不同的振动[3],机械振动对桥式起重机的影响体现在桥式起重机的动态刚性设计。其动态刚性采用结构系统的满载自振频率来表征[4]。文献[5]对塔式起重机进行了动态特性分析。文献[6]对齿轮箱的静、动态特性进行了分析。文献[7]研究了加劲肋对齐平端板力学性能影响。

目前在桥式起重机主梁静、动态特性的研究中，对于桥式起重机主梁的一些细微结构考虑不足，这些细微结构对桥式起重机性能产生的影响不应当被忽略(如纵向加劲肋)，值得深入研究，而不同类型的纵向加劲肋也会对主梁的动、静态特性产生不同的影响，本文对此进行了研究。

1 主梁分析模型的构建

1.1 起重机参数及建模软件确定

本文选用箱型双梁桥式起重机的单根主梁作为研究对象。起重机的起升量为50 t,跨度为37.5 m,小车车轮轮距为3.85 m,大车运行速度为66 m/min，小车运行速度为33 m/min。起重机工作级别为A5。

本文所采用的三维模型主要在SoildWorks中建立，主要使用的有限元软件为ANSYS Workbench。由于起重机主梁结构较为复杂，为了缩短计算所需时间，忽略主梁与端梁连接处的螺纹孔结构，将一些倒角等结构保留，分别建立矩型肋、角型肋、T型肋和正球头肋4种加劲肋的三维模型，并在主梁的三维模型中分别进行装配。所建立的桥式起重机主梁模型如图1所示。

图1 桥式起重机主梁简化图

1.2 纵向加劲肋简述

在设计桥式起重机主梁时，应对其局部稳定性进行设计校核。纵向加劲肋将起重机箱型主梁分割成较小的四方体结构，提高了起重机箱型主梁的稳定性。常用的纵向加劲肋类型主要有矩型肋、角型肋、T型肋和正球头肋4种。图2为常见的桥式起重机箱型主梁纵向加劲肋的基本构型。本文将对这4种类型的加劲肋主梁的静、动态特性进行分析。

图2 加劲肋的基本构型

2 载荷及约束

桥式起重机主梁在运行过程中主要受到两个方向的载荷，分别为垂直载荷和水平载荷。

桥式起重机主梁所受到的垂直载荷主要有主梁自重、司机室等自重以及小车车轮轮压。本文只考虑主梁自重以及起升重物对小车车轮的轮压，通过计算分别在前轮以及后轮施加175 kN与170 kN的载荷。

起重机启动或制动时将产生水平惯性载荷，包括水平均布载荷和水平集中载荷。由于水平惯性载荷对本文所研究结果的影响不大，因此可以忽略此部分载荷。

2.1 载荷施加

主梁自重：在ANSYS Workbench中可直接以重力加速度的方式施加于该主梁。

小车车轮轮压：在主梁三维模型中需建立两个相距3 850 mm的矩形块，用以模拟小车车轮。将小车车轮轮压分别施加在这两个矩形块上。

2.2 约束处理

桥式起重机主梁结构可以简化为简支梁结构。在施加约束时应以简支梁的约束方式施加，约束及载荷施加结果如图3所示。

图3 约束及载荷施加结果

3 处理结果

3.1 静刚度分析

通过查阅资料可得，桥式起重机的危险工况主要有以下两种：小车运行至主梁1/4处以及小车运行至主梁跨中位置处。由于本文主要讨论纵向加劲肋对主梁的影响，因此只对小车运行至主梁跨中位置处的工况进行研究分析。利用ANSYS Workbench对4种加劲肋主梁所受的最大应力、位移分别进行计算，图4、图5为最常用的角型肋主梁的位移云图以及应力云图。

对矩型肋、角型肋、T型肋和正球头肋主梁分别进行应力以及变形量计算，统计结果见表1。由表1可知，角型肋主梁的最大变形量远远小于其余3种加劲肋主梁， T型肋主梁所受的最大应力小于其余3种加劲肋主梁，但是与角型肋主梁的最大应力只相差0.2%，由此可知角型肋主梁的静态性能要优于其余3种加劲肋主梁。

图4 角型肋主梁位移云图

图5 角型肋主梁应力云图

表1 最大应力与最大变形量统计表

3.2 模态分析

根据《起重机设计手册》相关要求，桥式起重机主梁的频率应不小于2 Hz，表2为分别装配4种加劲肋的主梁6阶模态固有频率统计表。由表2可知，4种不同肋板的主梁均满足要求，加劲肋类型对主梁的固有频率影响较小，固有频率基本保持不变。纵向加劲肋的类型对于起重机主梁自振频率的影响可以忽略。由此可知，对起重机主梁进行模态分析时，可以不考虑纵向加劲肋对起重机主梁自振频率的影响，从而减少计算所需时间。

表2 6阶模态固有频率结果对比 Hz

3.3 谐响应分析

谐响应分析主要用来确定线性结构在承受持续周期载荷时的周期响应，能够预测结构的持续动力学性能，从而验证其设计能否成功地克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。通过分析可以得到振动频率下的变形量峰值，从而判断4种加劲肋主梁的动力学性能优劣性。

图6 4种加劲肋主梁的谐响应曲线对比图

图6为4种加劲肋主梁的谐响应，由图可知，矩型肋与角型肋主梁的谐响应曲线相似，而T型肋与正球头肋主梁的谐响应曲线相似。矩型肋与角型肋主梁的峰值出现在5 Hz处，矩型肋主梁最大变形量为281.56 mm,角型肋主梁最大变形量为295.55 mm；T型肋与正球头肋主梁的峰值出现在4 Hz处，T型肋主梁的最大变形量为316.14 mm,正球头肋主梁的最大变形量为280.49 mm。

通过谐响应分析可知，正球头肋主梁的变形量要比其余3种加劲肋主梁小，正球头肋与矩型肋主梁的抗振能力优于T型肋以及角型肋主梁。

4 结束语

本文通过有限元分析对4种加劲肋主梁的静态、动态特性研究得出以下结论：

1)通过对4种加劲肋起重机主梁静力学性能分析可得，角型肋主梁刚度和强度都要优于其余3种加劲肋主梁。通过谐响应分析可得，正球头肋主梁的稳定性要优于其余3种加劲肋主梁。然而正球头加劲肋主梁制作难度要远远大于其他3类。综合考虑可知安装角型肋的主梁优于安装其他3种加劲肋的主梁。

2)当对起重机主梁进行静态分析或谐响应分析时，不同加劲肋主梁产生的结果差距较大，因此在日后研究中需要考虑不同的加劲肋对起重机主梁的影响；从仿真结果可知，加劲肋能有效提高主梁性能，有助于起重机轻量化的研究。