張?zhí)迹?王奮追， 郭永才

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；

2.鄭州華林清污起重設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450052)

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門式啟閉機門架的有限元分析及結(jié)構(gòu)改進

張?zhí)?， 王奮追2， 郭永才1

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；

2.鄭州華林清污起重設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450052)

摘要：針對亭子口泵站的2×1 600 kN單向門式啟閉機門架，應(yīng)用Pro/Engineer軟件建立了初步設(shè)計的門式啟閉機門架的幾何模型，在Ⅱ類和Ⅲ類載荷按實際情況組合成的7種不利工況下，由有限元分析軟件ANSYS對門架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形進行分析.結(jié)果表明，該門架出現(xiàn)撓度超過許用值的現(xiàn)象，此研究結(jié)果為結(jié)構(gòu)改進提供了理論依據(jù).目前經(jīng)過改進設(shè)計的門架已經(jīng)過調(diào)試和現(xiàn)場負荷試驗，運行良好.

關(guān)鍵詞：啟閉機門架；組合工況；結(jié)構(gòu)改進

作為門式啟閉機(以下簡稱門機)的主要承重結(jié)構(gòu)——門架，其設(shè)計的可行性和可靠性對門式啟閉機安全有效的工作和經(jīng)濟效益有著重要的影響.全面了解門機門架在工作過程中的強度和剛度分布情況，對設(shè)計和改進門架結(jié)構(gòu)，進而優(yōu)化整個門機具有重大意義.對于門架的設(shè)計，目前有學(xué)者根據(jù)啟閉機的應(yīng)用場合設(shè)計開發(fā)了相關(guān)的智能設(shè)計系統(tǒng)[1]，但因水電站情況各異，設(shè)計參數(shù)眾多，參數(shù)之間又可能存在著相互影響的關(guān)系，因此總得不到令人滿意的設(shè)計效果.文中采用Pro/Engineer建立了亭子口泵站門式啟閉機門架的幾何模型，利用大型有限元軟件ANSYS分析計算了QM 2×1 600 kN單向門機門架結(jié)構(gòu)在各種不利工況下的強度和剛度及應(yīng)力和應(yīng)變，分析計算所得結(jié)論為該門機門架結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計提供依據(jù).

1門架結(jié)構(gòu)的幾何模型

1.1　門機主要技術(shù)參數(shù)

該啟閉機的主要技術(shù)參數(shù)有：主起升機構(gòu)額定啟閉力為2×1 600 kN(包括自動掛鉤梁)，總起升高度為65.0 m，主起升機構(gòu)的起升速度為2.5~5.0 m/min，回轉(zhuǎn)吊額定提升力為1 000 kN，回轉(zhuǎn)吊的起升速度為5~10 m/min，軌距為20 m，門機大車軌頂高程為465.0 m，材料為Q345B.取彈性模量E=2.06E+11 Pa，泊松比μ=0.3.

1.2　門架設(shè)計方案

工字鋼翼緣寬，側(cè)向剛度大，抗彎能力強，且截面形狀能節(jié)省大量的材料，目前各種不同型號和大小的工字鋼都可直接采購.箱型梁具有結(jié)構(gòu)緊湊，剛度大，抗扭性能好，可實現(xiàn)自動焊接.

為保證門架具有足夠的強度和剛度，根據(jù)經(jīng)驗和初步計算結(jié)果，對啟閉機門架的主梁、端梁、門腿、中橫梁、回轉(zhuǎn)吊上支撐梁、下支撐梁、回轉(zhuǎn)吊支柱、下橫梁選用箱型梁，現(xiàn)場進行焊接.因小梁受力小，腹板取薄時可節(jié)約金屬用量和減輕結(jié)構(gòu)重量，故采用工字鋼，同時也可提高其抗彎性和穩(wěn)定性.

1.3　模型的建立

該啟閉機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立既有利于分析計算結(jié)構(gòu)強度和剛度，又能比較真實地反映門機實際工作狀況的簡單有效的有限元分析模型[2].故根據(jù)門機的具體結(jié)構(gòu)特點，省略格子板及加強筋板，進行實體建模.

2門架的結(jié)構(gòu)強度和剛度分析

利用Pro/Engineer軟件建立門架的幾何模型，如圖1所示.

1—主梁；2—回轉(zhuǎn)吊上支撐梁；3—回轉(zhuǎn)吊下支撐梁；4—回轉(zhuǎn)吊支柱；5—下橫梁；6—門腿；7—中橫梁；8—端梁； 9—小梁

2.1　載荷及工況

門架校核按最不利組合工況進行加載，取起升載荷動載系數(shù)φ2=1.05，運行沖擊系數(shù)φ4=1.2[3].

表1是Ⅱ類載荷組合和Ⅲ類載荷組合情況下材料的安全系數(shù)和許用應(yīng)力.

表1　材料的安全系數(shù)和許用應(yīng)力值

門機起升機構(gòu)及機房總重約785 kN，二者重量簡化為8個均分作用力作用在門架上，考慮門架自重.風載時考慮風力系數(shù)，組合工況見表2.

表2　7種組合計算工況

2.2　強度分析

該門架為剛性結(jié)構(gòu)，按照σ≤[σ]，τ≤[τ]的原則進行強度分析.根據(jù)門架的實際受力特點，對4門腿下端建立鉸支點，其中回轉(zhuǎn)吊所在前端面的兩門腿采用垂直方向約束的鉸支，其余2門腿采用3個方向約束的鉸支.對主鉤、副鉤受力作集中力施加在相對工況的危險位置，如圖2所示.

圖2　各種工況下門架的受力情況

表3列出了各工況最大應(yīng)力及許用應(yīng)力.結(jié)合圖2及表3可知：門架在7種工況下，工況1和工況2的最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)吊上支承與門架主梁結(jié)合處；工況3和工況4下，門架最大應(yīng)力為局部集中應(yīng)力，出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)吊所在門腿中橫梁與該門腿結(jié)合處，局部最大集中應(yīng)力小于許用應(yīng)力；工況5，6和7下，門架最大應(yīng)力為局部集中應(yīng)力，出現(xiàn)在端梁與主梁結(jié)合處，工況7中小梁受力最大，為161.6 MPa；7種組合工況下，最大應(yīng)力都小于許用壓力，滿足要求.

2.3　剛度分析

零件的彈性變形量小于或等于許用的彈性變形量，用y表示撓度，y≤[y].門機結(jié)構(gòu)剛性通常指結(jié)構(gòu)的靜剛度和動剛度，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時一般只考慮靜剛度[4].門架在各種工況下的位移如圖3所示.

表3　7種工況應(yīng)力值　MPa

圖3　各種工況下門架的應(yīng)變圖

表4列出了各工況下的最大撓度及許用撓度.結(jié)合圖3及表4可知：工況1與工況2下的門架最大應(yīng)變出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)吊拉桿與門架上回轉(zhuǎn)吊上支承梁支鉸處，根據(jù)文獻[3]算得的許用撓度為39 mm，滿足要求；工況3與工況4下的門架最大應(yīng)變?yōu)樯嫌蝹?cè)主梁端頭相對于門腿與下橫梁結(jié)合處，滿足要求；工況5，6與7下的門架最大應(yīng)變出現(xiàn)在小梁上，撓度均超許用值.

表4　7種工況應(yīng)變值　mm

3結(jié)構(gòu)改進及試驗

在工況5，6，7中，小梁應(yīng)力均滿足要求，但撓度均超過許用值.尤其在工況7中，小梁受力最大，應(yīng)力和撓度均為7種典型工況中最大值，需對小梁進行改進，將小梁由工字梁改為箱梁，增大其慣性矩.圖4和圖5為工況7時小梁改為箱型梁的模擬結(jié)果.

圖4　改進后小梁應(yīng)力圖

由圖4和圖5可看出：沿Y軸負方向上的最大變形約為2 mm，許用撓度為3.3 mm，滿足要求.最大變形為腹板受力后往X軸正、負兩側(cè)方向變形，因此小梁內(nèi)部，尤其是墊板下部需增加加強筋板，防止腹板發(fā)生過大變形而失穩(wěn).

圖5　改進后小梁應(yīng)變圖

對更換小梁后的整體結(jié)構(gòu)進行分析.結(jié)果表明，該門架的受力情況和剛度都滿足要求.改進后的門式啟閉機如圖6所示.

圖6　安裝測試后的門式啟閉機門架

在亭子口泵站由鄭州華林清污起重設(shè)備有限公司現(xiàn)場組裝、調(diào)試并進行門機負荷試驗及試運行，靜載試驗按額定載荷的75%，100%，125%進行，動載試驗按額定載荷的75%和110%進行[5].在試驗過程中對門架結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力和應(yīng)變檢測.檢測結(jié)果表明，該門機負荷試驗的各項試驗指標均達到設(shè)計和規(guī)范要求.

4結(jié)語

文中對門架在7種不利工況下的應(yīng)力和應(yīng)變進行定量分析，直觀地觀察到門架各個部分的受力和變形情況.對不滿足要求的小梁進行了截面形狀的改進設(shè)計，改進后的小梁滿足使用要求，且對保證門架使用性能起到了很好的作用.同時，有限元分析為門架的設(shè)計提供了一個直觀的、現(xiàn)代化的輔助手段，大大縮短了研發(fā)周期.

參考文獻

[1]陶晶．門式啟閉機智能設(shè)計系統(tǒng)的研究[J]．湖北理工學(xué)院學(xué)報，2014，30(2)：42-46．

[2]張勝民．基于有限元軟件ANSYS 7.0結(jié)構(gòu)分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003．

[3]中國機械工業(yè)聯(lián)合會.GB/T 3811—2008起重機設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2008．

[4]胡友安,徐婷,顧曉峰．門式啟閉機門架結(jié)構(gòu)靜、動力學(xué)分析[J]．華電技術(shù)，2012，34(2)：16-21．

[5]水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心.SL 381—2007水利水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社,2007.

(責任編輯:杜明俠)

Finite Element Analysis and Structure Improvement of Portal Frame of Gantry Crane

ZHANG Taiping1, WANG Fenzhui2, GUO Yongcai1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;

2.Zhengzhou Hualin Grid-cleaner Machine and Crane Equipment Co.Ltd., Zhengzhou 450052, China)

Abstract:For the portal frame of 2×1 600 kN one-way gantry crane in Tingzikou pumping station, the software Pro/Engineer was used to establish the geometric model of preliminary design, and the stress and deformation of the portal frame of gantry crane were analyzed by the software ANSYS under 7 kinds of unfavorable combining conditions of the second kind of loads and the third kind of loads. The results show that the deflection of the portal frame exceeds the allowable value, and that provides a theoretical basis for improving the structure. At present, the improved portal frame has been debugged and done on-site load experiments, the results show the portal frame runs well.

Keywords:portal frame of gantry crane; combination conditions; structural improvement

中圖分類號：TH213.5;TV664+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5634(2015)02-0080-04

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.017

作者簡介：張?zhí)?1981—)，女，寧夏中衛(wèi)人，講師，碩士，主要從事機械設(shè)計及自動化方面的研究.

收稿日期:2014-11-19