張 堅(jiān)

（大同煤礦集團(tuán)金莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037101）

引言

起重機(jī)是指在一定承受范圍內(nèi)的縱向提升與橫向搬運(yùn)較重物體的一種起重機(jī)械，即為吊車。煤礦裝卸使用起重機(jī)一般用于煤礦露天堆場(chǎng)中，負(fù)責(zé)搬運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)的重物。煤礦使用的起重機(jī)包含不同的技術(shù)參數(shù)，如承載力、最大風(fēng)壓、長(zhǎng)度、跨度、小車輪壓等，通過對(duì)起重機(jī)的元分析，了解起重機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理等，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高水平、高性能地服務(wù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)，更加高效地應(yīng)用在煤礦工作中。

1 門式起重機(jī)ANSYS分析

ANSYS分析是一種利用電腦使隨意連續(xù)介質(zhì)看成被不同數(shù)值與力學(xué)特點(diǎn)的單元構(gòu)成，且各個(gè)單元之間相互連接［1］。在計(jì)算時(shí)，利用節(jié)點(diǎn)相連的力傳遞加以研究，結(jié)合力學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)理論，并組成方程，得到單元與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)數(shù)據(jù)和應(yīng)力。入籍，這種分析方法廣泛應(yīng)用到不同的領(lǐng)域中，通過靜力協(xié)調(diào)、屈曲分析等的研究，為相關(guān)研究提供了分析方法。

ANSYS是有限元分析的輔助軟件，通過結(jié)合前后數(shù)據(jù)及現(xiàn)實(shí)狀況進(jìn)行分析，得出的數(shù)據(jù)相對(duì)真實(shí)可靠，準(zhǔn)確率較高。ANSYS軟件主要分類有：結(jié)構(gòu)分析的基本環(huán)節(jié)，可以分析線性和非線性，很好的應(yīng)用到起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)分析中。主要計(jì)算的為強(qiáng)度與剛度數(shù)據(jù)；包括了不同的方面，如模態(tài)、震動(dòng)、瞬態(tài)動(dòng)力等。ANSYS對(duì)起重機(jī)模態(tài)分析主要分析有三種：自振頻率控制，以此對(duì)起重機(jī)加以設(shè)計(jì)；非線性分析，對(duì)此ANSYS的主要方法為弧長(zhǎng)計(jì)算；動(dòng)力分析，動(dòng)力分析變載荷和阻尼等，并對(duì)效率等不同的數(shù)據(jù)加以分析。

2 門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1 載荷計(jì)算

依照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)定，通過實(shí)際煤礦卸載需要，對(duì)門式起重機(jī)的載荷進(jìn)行計(jì)算，載荷種類為自重、起升、運(yùn)行沖擊等等［2］。自重荷載記為PG，主要涵蓋的是門架結(jié)構(gòu)的重力以及門式起重機(jī)承受的不同零件和器材的重力。大車在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊形成速度輔助力，應(yīng)和載荷沖系系數(shù)相乘；起升載荷記為PQ，主要為起重機(jī)能夠提升的所有重物的重量和，開啟時(shí)對(duì)全部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的縱向形成沖擊力，將起升載荷與動(dòng)載系數(shù)相乘記為總的升載荷。對(duì)于橫向慣性載荷PH，當(dāng)大小車共同運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)起重機(jī)形成一種沖擊力，橫向慣性載荷值是由運(yùn)行質(zhì)量與制動(dòng)加速度以及系數(shù)的乘積。

2.2 載荷處理

小車鋼軌固定法為壓板與焊接方法。前者是采用壓板將鋼軌下部與主梁上接合，每個(gè)壓板之間有固定間距，而后者是將鋼軌焊在板面上，組鋼軌與主梁為一體。在對(duì)起重機(jī)的鋼軌進(jìn)行分析時(shí)，可以利用ANSYS進(jìn)行分析，但是不需要建模，可以將載荷與主梁直接相連。同時(shí)為了提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，可以準(zhǔn)確加載主梁，測(cè)量得出載荷主要成三角形狀布局。腹板壓力長(zhǎng)度計(jì)算公式是：

式中，C為系數(shù)（通常即為C＝3.3），In為小車軌道＋翼緣板形成慣性矩，δ為腹板厚度［3］。

3 煤礦裝卸用起重機(jī)結(jié)構(gòu)ANSYS分析

3.1 剛度與強(qiáng)度分析

起重機(jī)的形狀為箱狀，起重機(jī)雙梁門式模型利用SHELL63。依照起重機(jī)的大小明確網(wǎng)格劃分尺寸。由于現(xiàn)場(chǎng)要求不同，結(jié)合施工情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。如出現(xiàn)兩個(gè)危險(xiǎn)施工狀況，則對(duì)其中一個(gè)可以將小車布置在門架跨中盛滿重物后提升，根據(jù)門架的慣性以及打車制動(dòng)、自身質(zhì)量等，結(jié)合風(fēng)載荷與門架的偏斜力度；對(duì)于另外一個(gè)施工風(fēng)險(xiǎn)狀況，將小車放置在有效懸臂長(zhǎng)度位置，盛滿重物提升，也結(jié)合第一狀況的數(shù)據(jù)加載。通過對(duì)不同工況的加載和分析，可以通過制定有限元法校核表格統(tǒng)計(jì)出剛度與強(qiáng)度。計(jì)算時(shí)通常將安全系數(shù)設(shè)定1.33，結(jié)合鋼制型號(hào)，對(duì)起重機(jī)的許用應(yīng)力、最大垂直靜撓度、有效懸臂距離等加以分析。

3.2 起重機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

起重機(jī)結(jié)構(gòu)的研究過程中，如符合剛度規(guī)定時(shí)，則需要利用ANSYS分析模態(tài)，掌握起重機(jī)的震頻與振型，避免共振出現(xiàn)。依照起重機(jī)振動(dòng)的位移線路，可針對(duì)不同階級(jí)加以研究。依照研究結(jié)果得知起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)上下振動(dòng)的固有頻率，并確定其水平和垂直振頻全部符合標(biāo)注，防止低頻問題發(fā)生。對(duì)模態(tài)分析和剛強(qiáng)度的分析比較相似，主要分為跨中與有效懸臂。對(duì)于不同工況需要相結(jié)合進(jìn)行有限元分析。如存在2個(gè)工況，對(duì)于第1個(gè)工況，可將小車放置在門架跨中（同剛強(qiáng)度分析相似），無需估算門架質(zhì)量，沒有門架慣性力和風(fēng)載荷，根據(jù)不同階模態(tài)的形變狀況加以分析和計(jì)算。對(duì)于第2個(gè)工況，可以將小車放置在門架側(cè)面的有效懸臂處，與1工況一樣加以計(jì)算。

4 煤礦卸載用起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化起重機(jī)模型

煤礦裝卸用起重機(jī)受到運(yùn)行地點(diǎn)的影響，對(duì)起重機(jī)的機(jī)構(gòu)和大小無需更改。在保持大小不變的情況下，利用板厚度的改變對(duì)模型加以優(yōu)化?？梢葬槍?duì)起重機(jī)的主梁、隔板的不同數(shù)據(jù)加以分析和更改。變量主要有主梁的不同零件厚度（如主腹板、蓋板、副腹板等），板厚（支腿、下橫梁、加肋、橫隔等）［4］。

4.2 約束條件

約束條件主要包括應(yīng)力、剛度和自振頻率的約束，對(duì)于應(yīng)力約束條件主要是由最大應(yīng)力和剪力、材料許用應(yīng)力和剪力、安全系數(shù)、版計(jì)算點(diǎn)的壓縮、局部、剪切應(yīng)力、板局部失穩(wěn)應(yīng)力等計(jì)算得來；對(duì)于剛度方面，主要由小車輪壓、輪壓支撐間隔、撓度系數(shù)、跨度、材料彈性等計(jì)算出來；對(duì)于自振頻率，應(yīng)在2～4之間。

4.3 優(yōu)化結(jié)果

由于起重機(jī)的板厚數(shù)值降低，則其結(jié)構(gòu)重力降低，此時(shí)應(yīng)力極高值升高，安全指數(shù)極度降低。通?？梢杂^察不同工況的曲線圖，位于下面的曲線則應(yīng)力小。結(jié)合優(yōu)化的垂直撓度和自重之間的變化關(guān)系得知，板厚數(shù)值降低，起重機(jī)自重也相對(duì)降低，此時(shí)垂直移動(dòng)距離增加，剛度性能減少，容易出現(xiàn)安全隱患［5］。曲線位于上面的剛度較強(qiáng)。而結(jié)合現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)，可將優(yōu)化成果加以圓整，并對(duì)比優(yōu)化前與后的大小變化?？梢苑治龀鰞?yōu)化后不同指標(biāo)和數(shù)值的變化。

5 結(jié)語

起重機(jī)是承受重物并搬運(yùn)的設(shè)備，裝卸起重機(jī)在煤礦施工現(xiàn)場(chǎng)有著很重要的作用。對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、模態(tài)、剛度、強(qiáng)度、荷載等數(shù)值需要高度重視，只有合理科學(xué)，才能保證高效地實(shí)現(xiàn)裝卸工作需求，并且保證煤礦工作的安全。通過對(duì)起重機(jī)進(jìn)行元分析，在了解原理的基礎(chǔ)上，利用ANSYS方法對(duì)其靜力學(xué)和結(jié)構(gòu)的分析，并加以優(yōu)化，結(jié)合模型和約束條件加以改進(jìn)，提高裝卸起重機(jī)的性能和效率，更好地運(yùn)用到煤礦工作中。

［1］ 黃秋蕓，唐文獻(xiàn)，蔡運(yùn)迪，等.基于APDL的船用起重機(jī)吊臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2012，5（11）：240-243.

［2］ 陳寶鳳，李文峰，付宜進(jìn)，等.林業(yè)起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，2（7）：729-814.

［3］ 李拔周，徐長(zhǎng)生.基于ANSYS的100 t龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2010，3（6）：312-314.

［4］ 倪佩韋，王勝春，于艷杰，等.塔式起重機(jī)動(dòng)態(tài)特性方法研究進(jìn)展［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，6（8）：556-563.

［5］ 管志俊，張青雷，郭井寬，等.一種 QD250／50／10t-25.5型橋式起重機(jī)有限元分析［J］.上海電氣技術(shù)，2011，2（4）：115-220.