侯　娜，譚　微，王詩柔，黃景楠，許平

（1.大連慧昌海洋工程技術(shù)有限公司，遼寧大連116019；2.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023）

淺議人字架滑輪布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

侯娜1，譚微1，王詩柔2，黃景楠1，許平2

（1.大連慧昌海洋工程技術(shù)有限公司，遼寧大連116019；2.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023）

對(duì)人字架進(jìn)行力學(xué)分析，應(yīng)用ANSYS軟件建立人字架模型，加載各典型工況下的受力，分析其最大應(yīng)力、最大位移、穩(wěn)定性、以及變形趨勢(shì)。根據(jù)直觀的有限元計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)人字架起升滑輪與變幅滑輪分開布置易引起材料疲勞。因而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將起升滑輪和變幅滑輪同軸布置，再次進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示變形趨勢(shì)理想，且能夠滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等工程實(shí)際需求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較高的指導(dǎo)意義。

人字架；有限元分析；滑輪布置

門座起重機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于港口碼頭的裝卸搬運(yùn)機(jī)械，機(jī)構(gòu)眾多結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)用途一般可分為裝卸用門座起重機(jī)、造船用門座起重機(jī)、建筑安裝用門座起重機(jī)。國產(chǎn)的門座起重機(jī)以50 t以下的機(jī)型居多，大噸位的門座起重機(jī)還不常見。

本文所研究的門座起重機(jī)屬于港口通用門座起重機(jī)，最大起重量300 t，最大作業(yè)幅度45 m.人字架在此主要承受變幅繩的拉力、起升繩的拉力，隨著臂架角度的變化，人字架受力相應(yīng)改變［1］。本文對(duì)人字架結(jié)構(gòu)進(jìn)行變幅組合條件下的靜力學(xué)分析，作為有限元分析的載荷輸入條件，通過ANSYS軟件建模并計(jì)算出各典型工況下的應(yīng)力、位移、及變形趨勢(shì)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)人字架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使之滿足剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較高的指導(dǎo)意義。

1　人字架結(jié)構(gòu)構(gòu)成

本文所研究的人字架分為前撐桿、后拉桿、及中部撐桿三部分，由銷軸鉸接為一個(gè)整體。前撐桿截面為H型，翼緣寬，承彎能力強(qiáng)，側(cè)向剛度大。后拉桿截面最初方案為H型，后改為箱型，傳力均勻，強(qiáng)度及剛度大。中部撐桿也按照H型截面設(shè)計(jì)。人字架所有材料均選用Q345B.

初步設(shè)計(jì)時(shí)，人字架上的滑輪分為上下兩排布置，上部滑輪為變幅滑輪，下部滑輪為主、副起升滑輪（如圖1（a）所示）。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的人字架，所有滑輪同軸布置（如圖1（b）所示）。

圖1　人字架構(gòu)成

2　載荷計(jì)算及載荷工況

對(duì)人字架而言，主要受變幅繩拉力、主鉤吊載的起升繩拉力、副鉤吊載的起升繩拉力。鋼絲繩在各滑輪上的卷繞方式不同，滑輪受力也不同。起升繩力受載荷大小的影響，變幅繩力隨載荷大小和臂架幅度而變化。與其它類別的起重機(jī)相比較，門座起重機(jī)有其工作的特殊性，即在一定的幅度范圍內(nèi)，能夠吊載最大載荷。因此，選擇幾種典型的工況進(jìn)行受力分析：最大起重量最小幅度工況、最大起重量下的最大幅度工況、最大幅度工況。計(jì)算時(shí)，起重機(jī)及其部件的位置、載荷的影響、風(fēng)載荷的方向，取最不利方向和作用效果的組合［2-3］。具體載荷組合如表1所示。

表1　載荷組合表

表1中選用系數(shù)分別為：φ1為起升系數(shù)，φ2為動(dòng)載系數(shù)，φ4為運(yùn)行沖擊系數(shù)，φ5為變速運(yùn)行載荷系數(shù)。

在載荷組合中，A1、B1、B3工況的受力大于其它載荷組合，在此僅以B1工況、且主鉤吊載的情況為例，列出人字架各滑輪受力。設(shè)X向?yàn)樗剑赶蚧剞D(zhuǎn)中心為正向；垂直向上為Y向正向，具體如表2所列。

表2　B1工況各滑輪受力表

3　有限元分析

3.1模型建立及載荷施加及邊界條件

人字架鋼結(jié)構(gòu)部分由板焊接而成，故采用shell63單元建模。三個(gè)部件分別建模，在每個(gè)安裝鉸耳結(jié)構(gòu)的中心建剛性節(jié)點(diǎn)，與耳板軸孔處的節(jié)點(diǎn)建立剛性區(qū)域。并對(duì)兩個(gè)需要鉸接的剛性區(qū)域的主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，放開繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。考慮到人字架上所屬扶梯走臺(tái)等附屬件的質(zhì)量，以增加密度的方式對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量等效。

滑輪軸采用beam188單元建模，兩端與前撐桿安裝孔處的節(jié)點(diǎn)之間建剛性區(qū)域。為符合實(shí)際受力情況，將滑輪軸按滑輪的分布位置進(jìn)行分段，在每個(gè)滑輪中心所在平面與軸線交點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)上施加集中載荷。各工況下滑輪受力不同，所加載荷亦不相同。人字架共計(jì)14個(gè)滑輪，使用命令流對(duì)各節(jié)點(diǎn)加載更為方便。

人字架與轉(zhuǎn)臺(tái)安裝的四個(gè)鉸點(diǎn)，放開繞軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，約束其余位移及旋轉(zhuǎn)自由度（如圖2所示）。

圖2　滑輪雙排布置的有限元模型

3.2計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)載荷組合表中的各種工況均進(jìn)行了有限元分析，在此僅以受力最大的B1工況為例，當(dāng)人字架的起升滑輪和變幅滑輪分上下兩排布置時(shí)，分析最大起重量最小幅度（18 m）工況、最大起重量下的最大幅度（25 m）工況、最大幅度（45 m）工況的強(qiáng)度和剛度。計(jì)算結(jié)果顯示，18 m幅度最大應(yīng)力145 MPa，最大位移25 mm；25 m幅度最大應(yīng)力188 MPa，最大位移32mm；45 m幅度時(shí)最大應(yīng)力173 MPa，最大位移36 mm.三種工況下，45 m幅度時(shí)的一階屈曲結(jié)果最小，為5.788，穩(wěn)定性滿足要求。安全系數(shù)按1.34選取，板厚16～35 mm的Q345B材料許用應(yīng)力為243 MPa，因此所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

但通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最大幅度工況與其它兩種工況下的前撐桿變形趨勢(shì)不同（如圖3所示）。最大幅度（45 m）工況下，上部變幅滑輪所受合力大于下部起升滑輪合力，前撐桿前側(cè)受壓后側(cè)受拉。另兩種工況下，上部變幅滑輪所受合力小于下部起升滑輪合力，前撐桿前側(cè)受拉后側(cè)受壓。前撐桿如果長(zhǎng)期受兩種變形趨勢(shì)的交替作用，易使材料提前發(fā)生疲勞。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖3　滑輪分上下兩排布置時(shí)各幅度下最大位移分布云圖（放大100倍）

因此修改滑輪結(jié)構(gòu)布置方式，將起升滑輪和變幅滑輪同軸布置，達(dá)到無論臂架在何種工況下工作，前撐桿的變形趨勢(shì)都是一致的。并且將后拉桿截面由H型改為箱型。更改后的人字架結(jié)構(gòu)B1工況計(jì)算結(jié)果為：18 m幅度最大應(yīng)力90 MPa，最大位移21 mm；25 m幅度最大應(yīng)力136 MPa，最大位移32 mm；45 m幅度時(shí)最大應(yīng)力154 MPa，最大位移37 mm.三種工況下，45m幅度時(shí)的一階屈曲結(jié)果最小，為4.463，穩(wěn)定性滿足要求（如圖4圖5所示）。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖4　滑輪同軸布置時(shí)各工況下最大位移分布云圖（放大100倍）

圖5　45m幅度下最大應(yīng)力分布云圖（放大20倍顯示）

4　結(jié)束語

本文的研究結(jié)果表明，人字架起升滑輪和變幅滑輪的布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力有很大影響。在空間不受限制的前提下，同軸布置更為合理，避免結(jié)構(gòu)件在交變力的作用下提前達(dá)到疲勞。利用有限元計(jì)算分析，可以直觀地得出結(jié)構(gòu)件應(yīng)力、位移、及穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，其結(jié)果是可行的。

［1］GB/T3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］顧迪民.工程起重機(jī)［M］.第二版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國鐵道部出版社，1998.

The Influence of Pulleys Arrangementon A-frame upon StructuralDeformation

HOU Na1，TANWei1，WANG Shi-rou2，HUANG Jing-nan1，XU Ping2
（1.Dalian Huichang Marine Engineering Technology Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116019，China 2.Dalian Yiliya Engineeringmachinery Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116023，China）

In this paper，an A-frame analysis is conducted by using mechanics and then A-frame models are established with the finite element analysis software ANSYS.After that the maximum stress，the maximal displacement，stability aswell as the deformation tendency are analyzed after loading forces to A-frame under typical working conditions.On the basis of visual Finite？Element calculation，it is confirmed that when lifting pulleys and luffing pulleys are separately arranged，material fatiguewill be easily caused.Consequently I refine the structure by arranging the lifting pulleys and luffing pulleys into coaxial position and conduct a second finite element analysis. The result shows that the deformation trend is good，moreover the strength，stiffness and stability all meet the engineering requirements.Accordingly this research can provide theoretical guidance for structural design.

herringbone frame；finite element analysis；pulley arrangement

TH213.5

A

1672-545X（2016）05-0039-03

2016-02-06

侯娜（1975-），女，吉林人，學(xué)士學(xué)位，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算分析。