门式起重机支腿系统轻量化设计研究

万治家 星都起重设备（辽宁）有限公司

为了提高门式起重机的设计质量和工作效率，以APDL为二次开发工具，建立了某40 t级U形门式起重机的参数化模型。在分析刚性支腿加劲肋对整机稳定性、强度、刚度等影响规律的基础上，利用Ansys的结构优化设计功能，对门式起重机支腿系统进行轻量化设计。相比于原设计方案，优化后的结构加劲肋布置方式明显改善，质量减轻了19.98%，支腿系统轻量化效果明显，为起重机支腿系统和类似结构的设计提供了参考。

一、概述

门式起重机的承载结构是由主梁和支腿系统组成，主梁形式与桥式起重机基本上一致，桥式起重机主梁的研究已经有一定的研究，而对门式起重机支腿系统的研究相对比较少。门式起重机的支腿系统主要由刚性支腿、柔性支腿、下横梁组成，起着承载起重载荷和整机自重的作用，是门式起重机核心组成部分。目前，国内外学者对门式起重机轻量化设计有了很多研究，研究了三维起重机结构的有限元分析；研究了门式起重机刚性支腿的设计方法；研究了影响门式起重机柔性支腿稳定性的3个因素，但研究对象都限于单个构件和理想的边界条件；研究了龙门式起重机结构动态优化设计，但未考虑结构稳定性的因素。影响门式起重机支腿结构质量的决定因素不是强度和刚度条件，而是稳定性条件，增加加劲肋是确保稳定性的最主要方式。研究刚性支腿的加劲肋布置对整机的起重性能影响和轻量化设计具有重要意义。

二、刚性支腿加劲肋分析

门式起重机的支腿系统由刚性支腿、柔性支腿、下横梁等组成，其中刚性支腿又是支腿系统中主要承重结构，在由薄板制成的轴心受压构件和偏心受压构件在外载荷作用下，受压最大的薄板很容易发生波浪式翘曲而丧失承载能力而造成局部失稳，构件中的局部板端失稳减弱了截面的承载能力，引起构件扭曲，从而导致构件整体失稳。很显然，构件不丧失局部稳定是保证整体不失稳的先决条件。增加加劲肋是保证局部稳定性的有效措施，同时也会对支腿系统和主梁的强度以及刚度造成一定的影响。根据穷举法，根据不同加劲肋组合之间的对比，又可得出不同加劲肋对影响门式起重机金属结构的稳定性、强度、刚度的影响规律，其对比方案见表1。

表1 方案1、2、3不同加劲肋组合的对比

其中方案1可对比横向加劲肋的变化的影响，方案2可对比支腿平面纵向加劲肋的变化的影响，方案3可对比门机平面纵向加劲肋的变化的影响。同时对比方案1、2、3的横向对比，可对比3种加劲肋的影响大小。

1.加劲肋对稳定性的影响。特征值屈曲分析可得到整机的屈曲系数，是衡量门式起重机稳定性的标准。以图2的加劲肋设置为原型，依次减少加劲肋的数量，加劲肋对门式起重机稳定性影响结果如图1所示。

图1 加劲肋组合与门式起重机稳定性系数

图1为稳定性系数随着加劲肋组合不同而变化的曲线，通过不同的加劲肋组合对比，其影响规律可以通过整机稳定性系数变化得出。通过对比加劲肋组合1和2，稳定性系数减小了0.71%，说明横向加劲肋对门式起重机稳定性影响很小，组合3和5在没有b的情况下，稳定性系数减小了15.71%，说明了横向加劲肋对稳定性影响变显著；组合7和8在没有b和c的情况下，稳定性系数减小30.38%，说明横向加劲肋单独对门机的稳定性影响很小。通过对比加劲肋组合

1和3，稳定性系数减小了32.78%，说明加劲肋b对稳定性影响较显著。组合2和5在没有加劲肋a的情况下稳定性系数减小了42.94%，说明加劲肋a、b联合作用影响变显著，组合6和8在没有加劲肋a、c的情况下稳定性系数变化了45.77%。由此可以看出，支腿平面纵向加劲肋对稳定性的影响比较显著。通过对比加劲肋组合1和4，稳定性系数骤降了70.08%，说明门机平面纵向加劲肋对稳定性的影响非常显著。组合2和6在没有加劲肋a的情况下稳定性系数变化了77.49%，说明横向加劲肋的影响非常小，组合5和8在加劲肋c的单独作用下稳定性系数变化了78.51%。由此可以看出，门机平面纵向加劲肋对稳定性的影响非常显著。横向对比组合1和2、组合1和3、组合1和4可以得出加劲肋a、b、c对门式起重机稳定性的影响由小到大。

2.加劲肋对刚度的影响。门式起重机的刚度分为主梁的刚度和支腿的刚度，主梁刚度是以额定起升载荷及自行式小车（或电动葫芦）自重载荷在该处产生的垂直静挠度来衡量，双梁式门式起重机如果桥架水平刚度不够，会出现2主梁向中间并拢甚至出现小车卡轨现象。为避免卡轨现象，须对桥架水平刚度进行校核。以主梁Z方向最大位移来衡量主梁刚度，考虑支腿X、Y向最大位移来衡量支腿水平刚度。支腿位移云图见图2。

图2 组合1支腿位移云图

腿与主梁连接处的水平X、Y向位移最大。通过组合1、2和3、5及7、8对比，可以看到，支腿的X、Y方向最大位移变化不大，说明横向加劲肋对刚性支腿的抗弯刚度影响不显著。通过对比组合1和3、组合2和5、组合6和8可以看出，支腿平面纵向加劲肋对支腿在X向的位移影响在5%左右，对Y向的位移影响逐渐变大，最大达到10.35%。通过对比组合1和4、组合2和6、组合5和8可以看出，门式起重机门机平面加劲肋对支腿X向位移和Y向位移影响比较大，且对X向位移比对Y向位移影响显著，说明门机平面纵向加劲肋对支腿的X向和Y向刚度影响比较显著。当加劲肋减少，主梁的Z向位移绝对值逐渐变大，但通过变化最大的组合1和8是4.1%，说明加劲肋对门式起重机主梁Z向的位移影响不显著。综上所述可知，门式平面纵向加劲肋对支腿的刚度影响比较明显，支腿平面纵向加劲肋影响次之，横向加劲肋影响最小。支腿加劲肋对主梁的刚度影响不明显。

3.加劲肋对强度的影响。支腿的加劲肋对支腿强度有一定影响。由于门式起重机是一个空间金属结构，故支腿的变化会引起主梁的变化。为此，通过不同加劲肋组合，来研究加劲肋对支腿和主梁最大Von Mises应力的影响规律。支腿应力分布较大的地方主要集中在支腿与下横梁连接处，主梁应力较大区域是主梁的跨中位置。对比表1的方案1～3可以得到表2的支腿应力变化率表，通过对比表11第一行数据，可以得出横向加劲肋和支腿平面纵向加劲肋影响分别为1.1%和0.18%，门机平面纵向加劲肋3对支腿应力影响比较大（达到8.54%），加劲肋1.2对支腿应力不明显。

表2 支腿Von Mises应力变化率%

通过表3第一行变化率可得出加劲肋1～3对主梁的应力影响都小于2%，可以得出支腿加劲肋变化对主梁应力影响不明显。

表3 主梁Von Mises应力变化率%

三、支腿系统轻量化设计

1.门式起重机支腿系统优化设计模型的建立。（1）设计变量。设计变量的选取与目标函数相对应，研究的门式起重机支腿系统为箱形截面，其主要涉及变量为刚性支腿、柔性支腿、下横梁的截面尺寸，故定义了16个参数为设计变量，其中Xaa横向加劲肋间距，Xab为门机平面纵向加劲肋间距，Xba为柔性支腿横向加劲肋间距，Xca为下横梁横向加劲肋间距，Raa为刚性支腿前、后腹板厚度，Rab为刚性支腿左、右腹板厚度，Rac为刚性支腿横向加劲肋厚度，Rad为支腿平面纵向加劲肋厚度，Rae为门机平面纵向加劲肋厚度，Rba为柔性支腿前、后腹板厚度，Rbb为柔性支腿左、右腹板厚度，Rbc为柔性横向加劲肋厚度，Rbd为柔性支腿纵向加劲肋厚度，Rca为下横梁上、下盖板厚度，Rbc为下横梁左、右翼缘板厚度，Rcc为下横梁横向加劲肋厚度。（2）状态变量。状态变量以现行起重机设计规范为标准，全面满足强度、刚度、稳定性及尺寸限制等要求建立的。静强度约束条件；

式中：[σ]为材料许用应力。静刚度约束；

式中：δ1max、δ2max分别为小车位于跨中和有效悬臂处时的垂直静位移最大值。屈曲稳定性约束；

式中：FREQ为1阶特征值屈曲系数。门机结构式是一个空间框架结构，屈曲稳定性是框架结构须考虑的一个问题，根据《高耸结构设计规范》中规定，屈曲临界压力计算的整体稳定安全系数，即有限元计算的特征值屈曲系数不应小于2。（3）目标函数。门式起重机金属结构系统的优化设计一般以使结构系统的重量最轻为指标建立目标函数。以支腿系统总重量为优化设计的目标函数。目标函数f（x）为；

式中：x为设计变量，ρ为结构系统补偿后的材料密度，V为结构系统的总体积。

2.基于Ansys的门式起重机支腿系统的优化结果分析。将门式起重机金属结构作为系统进行优化设计，可使整机的结构参数更趋合理，能够取得比较明显的经济效果。在门式起重机的设计中，应采用优化设计的方法对其结构系统参数进行优选，以期达到降低自重、减少制造成本、提高整机性能的目的。为了考虑计算的精度和优化的速度，先用零阶优化循环15次，然后再用零阶优化循环5次，对上述模型进行优化设计，通过优化，支腿系统的加劲肋布置方式有了很大的改善，质量减轻效果明显。支腿系统质量减轻了19.98%。此外，整机最大应力由84.49MPa增大到123.9MPa，稳定性系数由6.4511减小到2.014。

总之，以U形门式起重机支腿系统为研究对象，应用APDL语言对起重机金属结构系统进行参数化建模与静力学分析；根据计算结果，详细研究了刚性支腿的横向加劲肋、门机平面纵向加劲肋、支腿平面纵向加劲肋对门式起重机金属结构稳定性、强度、刚度的影响。