翁躍云
摘 要:本文闡述了鋼管式平衡梁力學模型,分析了鋼管式平衡梁在吊裝過程中承受的載荷,對鋼管式平衡梁及其部件進行強度計算,校核其是否滿足強度條件。
關(guān)鍵詞:吊裝;平衡梁;強度校核
隨著我國社會經(jīng)濟的進步與科技水平的提高,設(shè)備制造在向大型化發(fā)展。在滿足這一需求的過程中,除應(yīng)考慮由于設(shè)備大型化帶來的設(shè)計及制造工藝等問題外,運輸和安裝方面的問題也成為設(shè)計者需重點關(guān)注的環(huán)節(jié)。
對于大型設(shè)備,一般采用吊耳實現(xiàn)吊裝。需要校核的吊裝強度包括吊耳強度和平衡梁強度。由于對吊耳板的應(yīng)力計算相對較簡單,目前的方法已很成熟,可以參考的文獻很多。本文主要針對吊裝時的鋼管式平衡梁進行應(yīng)力計算和強度校核。
吊具計算的工況按設(shè)備吊裝中對吊具最不利的情況確定,主要有以下兩種:工況一是設(shè)備始吊狀態(tài),即設(shè)備吊離鞍座,其軸線與地面平行時,此時設(shè)備的主要受主吊點起升力、抬尾吊點起升力和設(shè)備重力的作用;工況二是設(shè)備吊裝末態(tài),即設(shè)備吊至其軸線與地面垂直且摘除抬尾吊鉤后,此時設(shè)備主要受主吊點起升力和設(shè)備重力的作用。
1 鋼管式平衡梁結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)
鋼管式平衡梁結(jié)構(gòu),如圖1所示。
選定鋼管材料,查得其屈服強度,確定許用拉應(yīng)力,許用剪應(yīng)力,S——強度因數(shù),s=1.2~2.5[1],鋼管外徑D,得到平衡梁截面凈截面面積,慣性矩,抗
彎截面模量,慣性半徑。
2 鋼管式平衡梁受力分析
工況二時,平衡梁受力最大,校核各部分的強度。平衡梁受力如圖2所示。
式中為工況二時吊索2的拉力。
由圖2,可將平衡梁視為兩端鉸支的小偏心壓彎構(gòu)件,做平衡梁的力學模型及內(nèi)力圖如圖3。圖中梁的端彎矩由梁端偏心壓力引起,偏心壓力和由其引起的彎矩分別為:
3 鋼管式平衡梁及其部件強度計算
3.1 平衡梁強度計算
鋼管強度計算式為:
式中An為鋼管凈截面面積,Wz為鋼管截面對z軸(參見圖1)的抗彎截面模量;為與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù),取[2];滿足要求則強度合格。
3.2 平衡梁吊耳強度計算
平衡梁吊耳結(jié)構(gòu)見圖1,選定平衡梁吊耳材料,查得其屈服強度,確定許用拉應(yīng)力,許用剪應(yīng)力,許用擠壓應(yīng)力,吊耳上下端圓弧半徑R,吊耳孔直徑d,吊耳板厚度δ。
(1)耳A-A截面拉應(yīng)力。
校核平衡梁上方吊耳即可,不考慮補強板對強度的影響;考慮到對稱兩吊索受力可能不均衡,取不均衡載荷系數(shù)K2=1.1。
由圖1,工況二時A-A截面軸孔內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力最大,按曲梁公式計算:
式中,
——應(yīng)力換算系數(shù)滿足要求,則強度合格。
(2)耳B-B截面抗拉強度。
B-B截面軸孔內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力最大,參照厚壁圓筒公式計算[3]:
滿足要求,則強度合格。
(3)孔壁擠壓強度。
滿足要求,則強度合格。
(4)吊耳C-C截面強度。
吊耳C-C截面的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和相當應(yīng)力分別為:
式中b——上吊耳板根部寬度,滿足要求則強度合格。
3.3 吊耳與鋼管焊縫強度計算
焊縫類型為直角焊縫,焊縫級別為一級(100%無損檢測),焊縫強度設(shè)計值為。焊縫拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為:
相當應(yīng)力為:
式中l(wèi)w為焊縫計算長度,he為焊縫計算厚度,hf為焊縫焊腳尺寸,βf為正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)。滿足要求,則強度合格。
4 鋼管式平衡梁長細比計算
平衡梁長細比為:
式中L1、iy、iz分別為平衡梁的計算長度和梁截面的慣性半徑。滿足要求,則強度合格。
5 鋼管式平衡梁整體穩(wěn)定性計算
整體穩(wěn)定性按下式計算:
式中:A=An,、分別為彎矩作用平面內(nèi)和彎矩作用平面外的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù),
滿足要求則強度合格。
6 鋼管式平衡梁局部穩(wěn)定性計算
鋼管外徑D與管厚a之比應(yīng)滿足:
滿足要求則強度合格。
7 結(jié)論
校核大型設(shè)備吊裝的平衡梁強度,通常將平衡梁視為兩端鉸支的壓彎構(gòu)件,方便力學模型的建立以及內(nèi)力分析。
參考文獻
[1]劉鴻文.材料力學(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2011.
[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.GB50017-2003[M].北京:中國標準出版社,2003.
[3]起重機設(shè)計手冊編寫組.起重機設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1980.
(作者單位:武漢大學動力與機械學院)