大型双梁桁架门式起重机钢结构设计与研究.pdf

第 7卷第 l期 2 0 0 9年 3月 中国工程机械学报 C HI N E s E J O U R N A I F C N S 1 UC T 1 0 N MA C Hl N E R Y VO 1 ． 7 No ． 1 Ma r ．2 0 0 9 大型双梁桁 架 门式起重机钢结构设计 与研究 陈 进 ， 樊艳 ， 侯 沂， 王旭 东 重庆大学 机械传动国家重点实验室， 重庆4 0 0 0 3 0 摘要 针对某 1 6 0 t 双梁桁架门式起重机， 进行钢结构设计计算与研究分析． 运用 A NS Y S软件建立三维实体模 型， 对起重机在工作过程中的 6 个最不利工况进行载荷分析， 然后使用 A N S Y S软件对其进行有限元强度和刚度 分析， 得出各个工况的应力和位移云图． 最后， 对有限元分析结果验算评估， 为改进双梁桁架门式起重机钢结构 设计与研究分析提供 了参考 ． 关键词 双梁桁架门式起重机；钢结构； 设计与研究； 有限元分析 中图分类号 T H 2 1 3 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 0 9 0 1 0 0 6 3 0 5 De s i g n a nd s t udy on s t e e l s t r uc t ur e f O r l ar g e - s c a l e 1 ● ● ● c 1 0UbI e gi r der - t r us S Cr anes cH EⅣ J i n， } r a n，H0U ， NG Xu - d o n g St a t e Ke y La b o r a t o r y o f Me c h a n i c al Tr a n s mi s s i o n，Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y．C h o n g q i n g 4 0 00 3 0，Ch i n a Ab s t r a c t P e r t a i n i n g t o a s p e c i f i c 1 6 0 t d o u b l e g i r d e r t r u s s c r a n e ， t h e s t e e l s t r u c t u r e i s c a l c u l a t e d a n d a n - a l y z e d ． M t e r wa r d s ， a t h r e e d i me n s i o n a l s o l i d mo d e l i s d e v e l o p e d u s i n g ANS YS ．Ac c o r d i n g l y ，t h e l o a d i n g a n a l y s i s i s c o n d u c t e d o n s i x t o u g h e s t c r a n e wo r k i n g c o n d i t i o n s ． F u r t h e r s t u d i e d，t h e f i n i t e e l e me n t s t r e n g t h s a n d r i g i d i t i e s ， t o g e t h e r wi t h s t r e s s a n d s t r a i n c o n t o u r d i a g r a ms ， a r e o b t a i n e d ． At l a s t ，t h e a n a l y s i s r e s u l t s a r e c h e c k e d a n d e v a l u a t e d t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r r e l a t e d s t e e l s t r u c t u r e d e s i g n ． Ke y wo r d s d o u b l e g i r d e r t r u s s c r a n e；s t e e l s t r u c t u r e ；d e s i g n a n d s t u d y；f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s 门式起重机是 1 种重要的物料搬运设备， 广泛应用于厂矿、 车站、 港口、 电站、 高层建筑、 工况企业等生 产领域中． 随着经济的发展 ， 它不仅在国民经济中占有重要的位置， 而且在社会生产和生活领域中的应用 也不断扩大[ 1 卅] ． 1 6 0 t 双梁桁架 门式起重机门架钢结构的质量 占整机质量的 6 0 ％以上 ， 是整个起重机工 程系统设计的重要环节． 该钢结构设计的合理性和安全可靠性直接决定 了起重机的工作能力和工作质量； 同时， 不合理的钢结构设计参数会降低对资源的利用率． 因此， 对起重机 门架钢结构设计与研究分析已成 为该设计领域的研究重点． 1 双梁桁架门式起重机钢结构设计 针对起重机重量轻 、 刚度好、 作业空间大 、 作业效率高等设计要求 ， 对 1 6 0 t 双梁桁架门式起重机进行 钢结构设计研究， 同时对起重机主梁及支腿采用规范化设计 ， 然后进行 A N S Y S分析研究 ． 该起重机采用 四桁 架式结构设计 ， 起重机 的钢结 构图见图 1所示． 四桁架式主梁桁架 由主桁架 1 、 上水 平桁架 2 、 副桁架 3 、 斜撑杆 4和下水平桁架 5组成， 见 图 2所示． 设计过程 中， 视起重 机主梁为简支梁 ， 进行 受力分析 ， 并结合式 1 和式 2 ， 确定各 个截 面设计 参数[ 。 ～ ． 主桁架 1的上 、 下弦杆截面积可近似取为 l ／ T ＼ ／ T ＼l 小l 小l 小l ／ T ＼l ／f＼l ／ T ＼ ／ T ＼I L t 图 1 双梁桁架门式起重机钢结构图 Fi g ． 1 St e e l s t r uc t u r e s ke t c h o f d o u b l e g i r d e r s t r u s s c r a n e 作者简介 陈进 1 9 5 6 一 ， 男， 教授， 博士生导师， 工学博士． E - m a i l C h e n j i n 4 1 3 y a h o o ． c o rn ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 7卷 A 1 。 尼 [ ] z A。 1 ． 3 A 2 式 1 ， 2 中 A ， A 分别为主桁架 1上、 下弦杆 的截面积， m2 ； ， 分别为运行 冲击系数和起 升载荷动力系数 ； M ， Mz分别 为固定载荷和移 动载荷引起的桁架跨 中弯矩 ， N m； h为主桁架 1的弦杆高 ， m； E o ] z为材料第 Ⅱ类载荷组合许 用应力， MP a ． 对于主桁架 1 ， 由于上水平桁架 2的上弦杆 上附有轨道 ， 因此对上水平桁架 2 、 下水平桁架 5 及斜撑杆 4截面选型确定角钢型号时 ， 应注意 3 4 5 1一主桁架 ；2 一上水平桁架 ； 3一副桁架 ； 4一斜撑杆 ； 5 一下水平桁架 图 2 四桁架式主梁桁架 Fi g ． 2 Ma i n g i r d e r s o f f o u r t r u s s e s 1 主桁架 1的上水平桁架 2角钢 的截面积的计算公式为 Ajs A ～Ag 2 主桁架 1的下水平桁架 2的斜撑杆 4的截面积计算公式为 Aj 【 A 式 3 ， 4 中 A 为桁架杆件需要的截面面积 ， r n 2 ； A 为轨道截面面积 ， r n 2 ． 通过以上分析计算 ， 主桁架 1的上 弦杆 采用 双角钢拼接的形 式， 如图 3所示 ， 选用角钢型号为 L 2 0 2 0 01 4 ． 其余各个桁架的角钢型号选取方法 ， 均与主桁架的上弦杆的选 取方法相同． 3 4 确定各个桁架的外形尺寸后 ， 根 据结构力学 ， 绘制起重机主桁 图3 主桁架I 的上弦杆截面 架 1 在固定节点载荷作用下桁架杆件内力 的“ 克一 马” 图， 可对主桁F i g ． 3 C r o s s s e c t i o n o f u p p e r c h o r d 架 l 危险截面的弦杆进行强度验算【 5 ] ． 应用式 5 ， 对主桁架 1上弦 o f ma i n t r u s s 1 杆进行强度验算表明， 满足设计要求 ， 因此设计合理． 7、 r 1 3 1 ． 2 6 a [ ]2 0 3 MP a 5 A s h 式中 ⅣI 为桁架杆件最大内力， N； A 曲 为桁架杆件实际的截面面积， m 2 ； [ O 3 为所选钢 Q 3 4 5的许用应 力 ， MP a ． 起重机各个桁架选用的角钢型号确定后 ， 根据下式对起重机整体质量进行计算， 结果为 1 5 5 ． 1 t ． ’ ￡ M ∑lD 4 L i 6 i1 式中 P ， Ai ， L 分别为起重机各个桁架的材料密度、 截面积 、 长度． 2 双梁桁架门式起重机钢结构的有限元分析 2 ． 1 有限元模型的建立 通过有限元建模， 可以大大简化设计周期， 降低设计成本， 达到较好的设计效果． 然而在建模中， 通常 要对实体模型进行合理的简化． 假定材料等参数是精确的， 对起重机钢结构做出以下建模假设与简化[3 ] 1 模型中的所有桁架结构全部采用空间梁单元 B E A M1 8 9 模拟， 支腿底部钢板采用壳单元 s | I E L L 6 3 模拟． 2 起重小车简化为集中质量力 ， 以轮压形式作用于轮子上． 3 大车轮子简化为有约束的支撑点． 4 主梁上的轨道只考虑它的质量因素， 其他 如电动机、 钢丝绳等 附属装置的质量忽略． 5 由于本设计是桁架式起重机 ， 在求解的过程中， 采用理想化加载方式． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 陈进 ， 等 大型双梁桁架门式起重机钢结构设计 与研究 根据起重机钢结构的各部分设计参数， 建立其有限元模型 ， 如图 4所示 ． 该模 型共有单元 7 6 3 7个 ， 节 点 1 6 2 6 6 个 ， 截面形式 6种． 2 ． 2 载荷分析 双梁桁架门式起重机工作过程 中， 主要受到起吊载荷 Q、 风载 荷 P、 启动或制动惯性力 P 主梁 自重和小车 自重以及附属装置重 力的作用 ， 起吊载荷的作用点沿主梁轨道左右移动， 支腿底部 的下 横梁是整个承载装置的基础． 各力计算如下 风载荷为 P C Kh q A 7 式中 C为风力系数； K 为风压高度变化系数； q为工作计算风 压 ， N m～； A 为挡风面积 ， m ． 在计算起重机风载荷时 ， 应考虑风对起重机是沿着最不利的方 向作用的． 起重机或小车运行机构启动或制动时， 起重机或小车的 自身质 量以及起升质量产生水平惯性力 P n 为 图 4 起重机钢结构的有限元模型 Fi g． 4 Fi ni t e e l e me n t m o d e l o f c r a n e Ph 。 仇 8 式 中 为系数 ， 考虑起重机机构驱动力 制动力 突加急突变时， 结构的动力效应 ， 1 ． 5 ； m 为运行部 分的质量 ， k g ； a为启动或制动加速度， m s 一． 重力为 G mg 9 式中 2 为起重机的整机质量 ， k g ； g为重力加速度 ， 取 9 ． 8 m s 一． 主梁受小车车轮的压力为 P1 1 G 1．9 2 劬 ／ 4 1 0 式中 为起升冲击负荷系数 ， 取 1 ． 0 5 ； G为小车及 吊钩重力 ， 取 0 ． 2 k N； z为起 升载荷动载系数， 取 1 ． 1 3 ； Q为主钩起吊载荷 ， 取 0 ． 8 k N． 2 ． 3 工况分析 由于作用在起重机上的外载荷种类很多， 且变化很大 ， 故分析研究时只考虑与 门机结构破坏形式有关 的典型性载荷 ， 通常称为计算载荷， 有以下几种 自重载荷、 起升载荷、 运行机构的水平惯性力和风载荷． 运 行机构的水平惯性力分为纵 向门机运行方向的水平惯性力和横向门机横梁方 向的水平惯性力． 各个载荷 的计算见 2 ． 2节． 载荷以起重机小车轮压 的形式平均传递至主梁． 考虑到起重小车在运行过程中位置的变化， 根据起重机的载荷组合形式 ， 将计算模型分为6 种计算 工况进行分析， 如表 1 所示． 表 l 工况描述 Ta b． 1 Lo a d c o n d i t i o n d e s c r i p t i o n 2 ． 4 强度与挠度分析 在第二类载荷组合中， 根据各种不同工况 ， 对起重机主梁的强度和刚度进行计算[ 6 ] ． 本文采用静力学 方法， 对起重机钢结构的结构强度 、 刚度和稳定性计算 ， 对下列矩阵方程求解 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第7 卷 [ K] { U}{ F 1 1 式 中 E K3 为钢结构的总刚度矩阵； { 为节点位移向量 ； { F} 为节点外力向量 ． 由矩阵方程 1 1 可求得节 点位移， 由节点位移即可求得单元的应力和应变． 弹塑性材料许用应力为 [ ] 1 2 。 式 中 O s 为材料的屈服极限， MP a ； 。 为安全系数， 起重机材料类型为 Q 3 4 5 ， 取 n1 ． 7 ， 则许用应力[ ] 2 03 ． 1 6 0 t 双梁桁架 门式起重机为造船用起重机 ， 其工作级别为 A 4 ， 当满载小车位于跨中位置时 ， 由于额 定起升载荷和小车自重使主梁在跨中产生的垂直静挠度 ． 厂 与起重机跨度 L的关系为 1 ，≤ L 0 0 4 4 m 式中 L3 0 ． 8 m． 2 ． 4 ． 1 悬臂上有效工作位置的挠度 由额定起升载荷和小车 自重引起 ， 在有效悬臂长度处的垂直静挠度 ， 1 与此有效悬臂长度 Z 的关系为 1 ．≤ 0 ． 0 1 2 5 m M 式 中 ￡ 4 ． 4 m． 3 计算结果的分析 对建立的有限元模型进行加载求解， 选取起重机连续工作的两个工况分别进行刚度和强度分析[ 7 ] ． 1 选取第一工况的载荷组合， 进行起重机桁架静刚度的验证， 其最大位移如图 5所示． 图 5所示结 果表明， 在第一工况载荷组合下 ， 最大位移位置在主梁主桁架上弦杆中心处， 为 0 ． 0 4 3 2 m．支腿与主梁连 接处和支腿下横梁位移变化较小 ． 模型的最大应力值为 1 9 5 MP a ， 位于主梁主桁架下弦杆 中心处． 2 选取第五工况的载荷组合， 进行起重机桁架强度的验证， 其应力如图6 所示． 图6 所示结果表明， 在第五工况载荷组合下， 最大应力位置在左支腿下横梁与支腿主肢连接处， 其值为 3 9 ． 5 MP a ， 主梁右端梁 与支腿连接处应力较大， 其余部分应力较小． 模型的最大位移值为 0 ． 0 1 2 0 m， 位于当风对起重机沿着最 不利方向作用的主梁主桁架上弦杆中心处． 其余各个工况计算结果如表 2所示 ． o o ． o o 9加 3 oo 1 92 0 7 o 0 2 88 1 0 0 ． 0 3 841 4 0． 0 O 48 0 2 001 440 5 00 2 40 0 9 0 0 3 3 6 1 2 0 0 4 3 21 6 位移 ／ m 图5 第--T况时的桁架位移云图 Fi g ． 5 Di s p l a c e me n t c o n t o u r o f c o n d i t i o n 1 0 0 4 3 9 0 ． 8 7 8 0 l 3 2 0 ． 1 7 6 0 ． 21 9 0 2 6 3 03 0 7 03 5 0 1 3 9 5 泣力 } MP a 图 6 第五工况时的桁架应力云图 Fi g ． 6 St r e s s a n d s t r a i n c o n t o u r o f c o n d i t i o n 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 陈进 ， 等 大型双梁桁架门式起重机钢结构设计 与研究 依照 2 ． 4节中计算的起重机许用应力 为 2 0 3 MP a 、 许用 位 移为 0 ． 0 4 4 0 m 和 0 ． 0 1 2 5 m， 对表 2中的计算结果逐项进行 对 比可知， 各个工况的应力 和位移都足够 并有一定的余量． 起重机 钢结 构 整体 设 计 时 ， 质 量 为 1 5 5 ． 1 t ． 在 A N S Y S中， 对起重机模型在钢 表 2 有限元计算结果 T a b ． 2 Re s ul t s o f fin i t e e l e me nt c a l c u l a t i n g v a l u e s 结构重力作用下的自重进行计算 ， 结果为 1 5 1 ． 1 8 t ， 比设计计算值减小了 2 ． 6 ％． 由此可知 ， 该起重机钢结 构设计过程和有限元分析结果是可靠 、 合理的． 4结论 对某 1 6 0 t 双梁桁架门式起重机进行钢结构分析， 运用现代设计方法， 对其各个桁架进行设计研究． 采用 A NS Y S软件 ， 对设计出的模型进行有限元强度和刚度分析 ． 通过结果对比分析 ， 模型在 6个最危险工 况下的强度和挠度基本满足设计要求， 有限元分析结果对实际设计有参考价值， 同时为其他的工程机械设 计分析提供了可行的方法和手段． 参考文献 王金诺 ． 起重运输机金属结构 [ M] ． 北京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 2 ． W A N G J i n n u o ． S t e e l s t r u c t u r e o f l if t i n g c o n v e y o r [ M] ． B e i j i n g Chi n a R a i l w a y P u b l i s h i n g H o u s e ， 2 0 0 2 ． 庞延波， 于兰峰． 双梁桁架龙门起重机主梁的优化设计r -j ] ． 重型机械科技， 2 0 0 7 3 1 5 1 7 ． P A N G Y a n b o ， Y U L a n f e n g ． OPt i m i z a t i o n o f t r u s s g a n t r y c r a n e w i t h d o u b l e g i r d e r s r, J ] ． H e a v y Me c h a n i c e r y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7 3 1 51 7． R A O S S ． T h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d i n s t r u c t u r a l m e c h a n i c s [ M ] ． r, s ． I ] P e r g a m o n A c a d e m i c P r e s s ， 1 9 8 2 ． 张质文． 王金诺， 虞和谦， 等． 起重机设计手册[ M3 ． 北京 中国铁道出版社， 1 9 9 8 ． Z H A N G Z h i w e n ， W AN G J i n n u o ， Y U H e q ia n ， e t a 1 ． C r a n e d e s i g n m a n u a l r, M ] ． B e ij i n g C h i n a R a i l w a y P u b l i s h i n g H o u s e ， 1 9 9 8 ． 郁永熙． 结构力学[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 0 ． Y U Y o n g x i ． S t r u c t u r a l m e c han i c s [ M] ． B e i j i n g Chi n a M a c h i n e P r e s s ， 1 9 8 0 ． 夏建芳． 刘哲明． 桁架起重机主梁强度分析与结构优化[ J ] ． 机械工程师 2 0 0 7 3 2 4 2 6 ． X I A J ia n f a n g ． L I UZ h e mi n g ． O p t i mi z a t i o n d e s i gn of j o i s t g a n t r y g r i d e r [- J ] ． Me c han i c a l E n g i n e e r ， 2 0 0 7 3 2 42 6 ． 邵蕴秋． A N S Y S 8 ． 0 有限元分析实例导航[ M] ． 北京 中国铁道出版社， 2 0 0 4 ． S H A O Y u n q i u ． AN S Y S 8 ． 0 f i n i t e e le m e n t a n a ly s i s g u id e[ M] ． B e i j i n g C h i n a R a i l w a y P u b l i s h i n g H o u se， 2 0 0 4 ． B E N N L ． B U R T O NB ， I R E L A N D J ， e t a 1 ． M o d e l g a n t r y c r a n e w i t h d y nam i c f e e d b a c k s w i n g c o n t r o l [ C ] ∥P r o c e e d i n g ofth e 2 0 0 4 I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n I n d u s t r ia l E i e c tro n ic s ． A j a c c i o ， F r a n c e I E E E， 2 0 0 4 2 6 52 6 9 ． ] ] ]] ] ] ] ] 口 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m