基于有限元分析的桥式起重机桥架设计

翟杰 张伟

摘 要：随着我国经济快速发展，我国工程建设在不断增多，起重机作为物料搬运、装卸及用于安装的机械设备，在国民经济支柱行业中扮演着重要的角色，其中桥式起重机应用最为广泛。桥式起重机一般横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运。它由桥架、起重小车、电气设备、司机室等几个大部分组成。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，以达到在跨度内和规定高度内组成的三维空间里搬运和装卸货物。桥架的结构由主梁和端梁组成。在起重机桥架的结构设计中，分析校核及改造研究关系起重设备运行的平稳性和可靠性，对降低生产成本、有效地实现安全生产具有现实意义。

关键词：桥式起重机;桥架;有限元

引言

起重机的出现大大提高了人们的劳动效率，以前需要许多人花长时间才能搬动的大型物件现在用起重机就能轻易达到效果，尤其是在小范围的搬动过程中起重机的作用是相当明显的 。桥式起重机小车主要包括起升机构、小车架、小车运行机构、吊具等部分。其中的小车运行机构主要由减速器、主动轮组、从动轮组、传动轴和一些连接件组成。由于起重机属于重型机械，因此，对其承载能力和相关的校核计算是很有必要的，本文主要设计了一种起重机小车的结构并对其进行了理论计算验证，其特点是承载能力强、结构紧凑。

1桥式起重机概述

桥式起重机在目前工业化生产中主要被应用于一些重型物料的起重、运输以及装卸等工作。就目前桥式起重机的使用范围来看，其被广泛应用在工业生产的材料设备仓库等场所。桥式起重机的工作原理主要是通过在仓库上方中的横梁结构，安装相应的起重运行轨道，并利用轨道运输实现相应的设备、材料的起重、存储以及运输工作。就一般情况而言，目前常见的桥式起重机主要由以下 4 个部分和结构组成。（1）桥式起重机的大车结构，大车结构主要是通过 4 个车轮驱动进行横向运输。（2）桥式起重机的小车运行结构，小车运行结构主要是利用桥式起重机中的起升装置以及运输电力系统，通过两轮驱动在相应的桥架上实现横向运输。（3）桥式起重机的升降结构，为有效完成物料的存储与运输，需要进行相应的物料升降作业，其中升降结构需要相应的发电机、齿轮驱动以及减速装置，制动器、极限开关、吊钩以及卷筒等机构。（4）完整的桥式起重机的运行还需要配置相应的电气系统，主要包括配电室、控制室以及通道与扶手等设施，确保桥式起重机在工作时能够有序进行。就当前我国桥式起重机的使用现状来看，桥式起重机的品类繁多，日常使用中主要包括抓斗式起重机、吊钩式起重机、两用桥式起重机、三用桥式起重机、电磁桥式起重机以及双小车桥式起重机等类型。为更好提升桥式起重机使用的规范性与合理性，需要在實际运用过程中，结合实际情况以及使用的环境情况，综合考虑桥式起重机的选取和使用。

2桥式起重机桥架设计

2.1主梁设计计算

首先，确定载荷。主梁自重载荷包括：主梁、小车轨道、走台、栏杆、机电设备及操控室的重量载荷等。经计算得主梁均布载荷Fq=3300N/m。其次，根据车轮的打滑条件确定大车、小车运行时产生的惯性力，主动轮和从动轮各占一半。再次，计算偏斜运行侧向力。双梁箱型桥式起重机忽略一些设备后为对称机构，可按照一个机构进行计算。确定主梁、端梁、大车运行机构的重量和司机室及设备重量后，分满载小车处于主梁跨中及处于左端极限位置，两种位置情况计算轮压产生的侧向力。最后，计算垂直和水平两方向的主梁内力。主梁按简支梁计算在固定载荷与移动载荷作用下大车传动侧的主梁内力。在符合实际的情况下，采用适当两主梁轴线间距构成新的水平刚架。在水平惯性载荷及水平侧向力作用下，产生主梁端部水平弯曲力矩及剪应力。

2.2桥架的模态分析

桥式起重机在运行过程中，由于频繁的启动和制动，会使桥架产生强烈的冲击与振动。为了避免桥架因共振而失效，有必要考虑其动态特性，模态分析则是动态特性分析的重要内容，主要用来计算结构的固有频率和固有振型。利用已经建立好的桥架模型进行模态分析，网格划分与静力分析时相同 。通过 MODO 求解器，添加前六阶约束模态求解。

2.3 疲劳寿命预测

起重机的疲劳破坏大体上就是初始裂纹从扩展到断裂的过程，而这一过程所需要的时间就是起重机的疲劳寿命。当裂纹长度达到临界裂纹长度时，构件就发生断裂，故构件的疲劳寿命主要是由裂纹扩展速率决定的。

2.4端梁分析

端梁是桥式起重机载荷平移的关键部件。它由大车车轮和端梁架两部分构成。端梁架由上盖板、腹板以及下盖板等构成，利用连接板和螺栓紧固。加载负荷包括：小车自重，起升重量。当小车位于跨端时端梁承受最大载荷，集中载荷作用在车轮上端下盖板处，方向垂直于上盖板并向上。由云图分析可知弯角处与肋板处产生的应力最大，靠近车轮处的肋板产生最大变形。车轮上方下盖板处发生最大的位移形变。端梁与主梁的连接位置处的肋板发生形变。综合原因：靠近车轮以及主、端梁连接处的肋板，承受最大垂直方向载荷，而跨中的肋板发生的形变较小;端梁盖板承受车轮的反作用力，产生向上的形变。通过分析端梁的疲劳，安全因子较低的部位在肋板位置以及上盖板与车轮相接触的位置。据此提出改进方案：将肋板加厚;端梁支承弯角处加焊两块弯板，弯板两个垂直面上增加车轮组定位垫，弯板参与端梁承载工作。

2.5小车主、副起升机构设计

主起升机构起重量按 Q =200t，副起升机构起重量按 Q = 50t 计算，查表 4 -2 （起重机设计手册） 取主、副起升机构滑轮组倍率分别为 m =8 和 m =5，承载绳分支数： Z = 16 和 Z = 10。按照布置宜紧凑的原则，传动方案如图 1 所示。在起升机构工作时，电动机转动，首先通过减速器将运动速度减小，起升转矩增大，然后将运动传递到卷筒，最后连接滑轮组将重物起升。经过计算主、副起升机构减速总传动比分别为 90、53，根据总传动比可以选择相应的减速器，本文选择德国 sew 减速器，型号为 M3P90、M3P50，其特点为总体尺寸小、承载能力强、性能稳定、寿命长，是一种专门用于重载环境下的减速器。

结语

依据起重机设计理论，设计计算桥式起重机桥架的主梁和端梁，完成桥架整体校核。进一步根据有限元分析结果：端梁弯角处与肋板处产生应力最大，靠近车轮安装处的肋板产生最大变形。满载小车位于主梁跨中位置时，主梁产生最大的挠度，应将桥架设置一定的上拱度;小车处于跨端时，主梁与端梁连接处会承受最大应力。桥架整体分析确认桥架产生的挠度，自振的频率以及危险点所能承受的应力均满足起重机设计标准要求。从可靠性考虑，对端梁支承车轮部位安装定位垫板和支承板，以减少端梁受到的疲劳破坏。从稳定性考虑，主梁增设两根加劲肋，保证主梁稳定。对桥架中的隔板进行了拓扑分析，并进行改进，减轻大约40kg的重量，在不影响起重机安全性能的前提下减少起重机的自重。

参考文献

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