姚海瑞 魏 興

（1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029；2：大連益利亞工程機(jī)械有限公司 遼寧大連 116024）

1 前言

橋式起重機(jī)是橫架于車間、倉(cāng)庫(kù)和料場(chǎng)上空進(jìn)行物料吊運(yùn)的起重設(shè)備。廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工工廠、港口、核電和冶金等領(lǐng)域。根據(jù)不同領(lǐng)域特點(diǎn)有著相應(yīng)的要求，如冶金行業(yè)中鑄造橋式起重機(jī)，對(duì)抗震有嚴(yán)格要求。本文將以某型鑄造用電動(dòng)雙梁起重機(jī)的抗震工況進(jìn)行有限元法的分析，以闡明計(jì)算分析過(guò)程，為同行業(yè)借鑒。

2 電動(dòng)雙梁橋式起重機(jī)建模

2.1 該電動(dòng)雙梁橋式起重機(jī)構(gòu)成

該橋式起重機(jī)的主體由橋架和小車構(gòu)成（見圖1）。

圖1 電動(dòng)雙梁橋式起重機(jī)布置圖

2.2 建立有限元模型

2.2.1 單元類型選取

該橋式起重機(jī)大、小車車架均為箱型梁結(jié)構(gòu)，采用梁?jiǎn)卧M；上下滑輪、減速器、電動(dòng)機(jī)等以梁?jiǎn)卧M通過(guò)修改調(diào)整單元密度的方式使模型質(zhì)量和施加機(jī)構(gòu)質(zhì)量一致。

鋼絲繩用Link10受拉桿單元模擬，通過(guò)16根桿單元來(lái)模擬實(shí)際起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩纏繞方式，能夠很好的模擬機(jī)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。

大小車車輪視為剛體、吊重作為集中質(zhì)量載荷加在下部滑輪梁中間位置。起重機(jī)大小車各自的水平輪，以剛性較大的短梁來(lái)模擬。

箱型梁內(nèi)部布置有隔板、筋板等部件，它們主要對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，故將其質(zhì)量均布在結(jié)構(gòu)中。

變截面梁通過(guò)修改變截面處兩端單元的截面編號(hào)實(shí)現(xiàn)變截面梁建模，建立的梁有限元模型和實(shí)際梁結(jié)構(gòu)基本一致，能夠很好的模擬梁在地震工況下的受力情況。

起升卷筒以梁?jiǎn)卧M，卷筒和梁的連接處以剛性較大的短梁來(lái)模擬卷筒軸軸承座，使卷筒上的力以均布載荷的形式施加在小車架相應(yīng)位置，能夠很好的模擬實(shí)際情況下的小車架受力情況。

將小車與橋架連成一體，限制小車的自由度，采用這種建模方式比較保守，在地震工況下起重機(jī)金屬的應(yīng)力和鋼絲繩拉力會(huì)偏大。

根據(jù)以上原則建立的有限元模型如圖2～4。

圖2 橋架的有限元模型

圖4 整機(jī)的有限元模型

2.2.2 邊界條件

橋架附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以均布載荷或集中質(zhì)量載荷的形式施加在起重機(jī)的相應(yīng)位置，均布載荷以調(diào)整模型密度的形式施加。

橋架按簡(jiǎn)支梁的方式進(jìn)行約束，在大車車輪處施加位移約束。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)共有16個(gè)車輪，采用1／4驅(qū)動(dòng)，在抗震計(jì)算模型中，大車主動(dòng)輪處施加全位移約束，在其余車輪處施加相應(yīng)的位移約束。

2.3 材料參數(shù)

采用材料：Q345C；

彈性模量：E＝2.06×105MPa；

泊松比：μ＝0.3；

屈服強(qiáng)度：345MPa；

抗拉強(qiáng)度：513MPa

2.4 分析內(nèi)容

采用結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算、模態(tài)分析，譜分析。結(jié)果為譜分析和靜力分析結(jié)果的疊加。阻尼系數(shù)在極限安全地震（SL-2）工況下地震阻尼比為7%。

振型組合采用CQC法，X／Y／Z三個(gè)方向譜響應(yīng)的完全疊加，靜載和地震載荷計(jì)算結(jié)果按照最不利方式進(jìn)行組合。

3 實(shí)例分析結(jié)果

根據(jù)規(guī)范及分析要求，進(jìn)行了靜力和地震響應(yīng)下8種工況（小車位于跨中、小車位于左右極限、小車位于1／4跨距，吊鉤位于上下極限位置）下的橋架強(qiáng)度、小車架強(qiáng)度、大車輪壓、小車輪壓、起升鋼絲繩拉力計(jì)算。

圖5 工況1下整體位移云圖（單位mm）

以工況1為例，下車位于跨中，吊鉤位于最高位，起重量250t，自重沖擊系數(shù)1.05，動(dòng)載系數(shù)1.056。其計(jì)算結(jié)果如圖5、6所示，最大位移為55.2mm，最大應(yīng)力為180.6MPa，大車最大輪壓（受力）411kN，最小輪壓391kN，小車最大輪壓502kN，最小輪壓460kN，鋼絲繩拉力328.5kN。

按照如上的方法可以分別計(jì)算出8種工況下的受力分析，這里不一一列舉。

圖6 整機(jī)應(yīng)力云圖（單位M P a）

4 結(jié)論及分析

經(jīng)過(guò)有限元分析，得出了該起重機(jī)在8種工況下的受力及位移結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）考慮自重影響，對(duì)該設(shè)備承受地震載荷作用下的應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)GB／T3811-2008，有地震引起的載荷為第三類載荷，應(yīng)力強(qiáng)度滿足：σ＜σb／3，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知滿足要求。

2）起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩模擬采用Link10受拉桿單元，用16根桿單元來(lái)模擬實(shí)際起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)，這種模擬方式能夠很好模擬橋式起重機(jī)在地震情況下的震動(dòng)情況，但鋼絲繩受力和實(shí)際情況下鋼絲繩受力有一定的差別，雖計(jì)算結(jié)果鋼絲繩受力偏大，但在地震計(jì)算和抗震計(jì)算下提取的鋼絲繩受力可作為理論計(jì)算的參考。

3）對(duì)整機(jī)來(lái)說(shuō)，通過(guò)抗震工況計(jì)算工況下大車輪壓值，可以判斷大車和小車在最大操作負(fù)荷加極限安全地震（SL-2）引起的載荷條件下能保持在各自的軌道上，不碰建筑物，也不掉落零件。

綜上所述，在特定工況下，該電動(dòng)雙梁起重機(jī)能夠滿足強(qiáng)度要求與屈曲穩(wěn)定性要求，滿足安全工作條件。

［1］GB50267-1997核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.國(guó)家地震局.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1998.1.

［2］GB／T3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.10.1.

［3］呂宏.核電起重機(jī)的抗震計(jì)算［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，20 10（1）.

［4］郝國(guó)鋒，徐峰，馮少東.核電廠用懸臂吊主梁的性能評(píng)定［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2012（4）.

［5］高素荷.核電站燃料廠房輔助吊車抗震分析［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2011（2）.

［6］周文霞，張繼革，宋志平，張潔，王德忠.核2級(jí)調(diào)節(jié)閥的抗震分析及試驗(yàn)研究［J］.世界地震工程，2011（1）.

［7］付強(qiáng)，袁壽其，朱榮生.核電站燃料廠房輔助吊車抗震計(jì)算［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010（3）.