(山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟南 250200)

門式起重機的運行軌道長度從幾十米到幾百米不等，運行機構(gòu)通常采用分布驅(qū)動方式，在設(shè)計中需要考慮偏斜運行和水平側(cè)向載荷的影響。門式起重機大車行走機構(gòu)偏斜運行的原因很多，如軌道基礎(chǔ)的直線度、吊裝載荷的不均勻分布、小車在門架平面內(nèi)的運行起（制）動、大車行走電機轉(zhuǎn)速的細微差異等等。起重機偏斜運行時的水平載荷是指裝有車輪的起重機或小車做穩(wěn)定狀態(tài)的縱向運行或橫向移動時，發(fā)生在他的導(dǎo)向裝置上由于導(dǎo)向的反作用引起的一種偶然載荷[1]。

研究水平側(cè)向力載荷的影響對整機設(shè)計有重要意義，在設(shè)計計算分析時，偏斜運行的原因可分為邊界約束條件的不對稱和載荷（動力）的不對稱。

1 水平側(cè)向載荷

目前水平側(cè)向力的計算方法有系數(shù)法和極矩法，系數(shù)法雖然有一定的局限性，但計算方法簡單且相對安全，目前在國標和許多國際規(guī)范中仍大量使用[2]。在實際設(shè)計中，門式起重機偏斜運行時的水平側(cè)向載荷Ps可按下式作簡化計算

其中：ΣP為門式起重機承受側(cè)向載荷一側(cè)的行走梁上有效軸距有關(guān)的相應(yīng)車輪經(jīng)常出現(xiàn)的最大輪壓之和，不考慮動力效應(yīng)。

λ為水平側(cè)向載荷系數(shù)，與起重機跨度S和起重機基距B（或有效軸距a）的比值有關(guān)

MDG 系列門式起重機單側(cè)行走梁為4 組車輪，為計算最大輪壓，令小車在支腿側(cè)極限位置處，選取小車滿載沿軌道方向制動工況，小車水平慣性力指向剛性腿方向，同時選取風載荷吹向剛性腿方向，此時整機重量G1和慣性力矩Mg和風載力矩Mf都在支腿側(cè)產(chǎn)生最大靜態(tài)輪壓Pimax

式中：G2為小車自重，按照規(guī)范要求計算水平側(cè)向載荷Ps，單側(cè)計算輪壓之和僅計算最外側(cè)兩組車輪輪壓2P，有效軸距a，如圖1 所示。

圖1 MDG門式起重機行走機構(gòu)示宜圖

因水平側(cè)向載荷與單側(cè)輪壓有關(guān)，而大車方向的制動雖然會影響單個車輪的最大輪壓，但不會影響單側(cè)車輪的輪壓和值，所以計算水平側(cè)向載荷時不予考慮。對于門式起重機剛性腿和撓性腿側(cè)的最大輪壓及水平側(cè)向載荷如表1 所示。

表1 水平側(cè)向載荷計算表

2 載荷組合

門式起重機結(jié)構(gòu)計算B1 工況為在正常工作狀態(tài)下，正常操作除起升機構(gòu)外的驅(qū)動機構(gòu)，存在工作狀態(tài)風載荷影響下的載荷組合。為計算載荷對不同部位的影響，通常在跨中、剛性腿側(cè)、撓性腿側(cè)和懸臂端分別就加載計算[3]。

起重機自重部分取起升沖擊系數(shù)φ1，起升載荷取動載系數(shù)φ2，大車和小車的水平慣性力取水平運行沖擊系數(shù)φ5。采用有限元軟件SAP 進行桁架結(jié)構(gòu)建模加載，模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。此時加載位置基本都在門架結(jié)構(gòu)上部，結(jié)構(gòu)邊界在支腿底部約束三方向平動自由度和豎直方向的轉(zhuǎn)動自由度。

圖2 門式起重機計算模型圖

起重機金屬結(jié)構(gòu)計算B5 工況為在正常工作狀態(tài)下，空中懸吊起升載荷，起重機在帶坡度的不平軌道上以恒速偏斜運行，有工作狀態(tài)風載荷影響下的載荷組合。起重機自重起升沖擊系數(shù)φ1和起升載荷動載系數(shù)φ2由軌道運行沖擊系數(shù)φ4代替，此工況考慮了水平偏斜力的影響，不再考慮由驅(qū)動機構(gòu)加速引起的水平慣性力影響。

3 特殊載荷

當起重機出現(xiàn)嚴重偏斜運行狀態(tài)時，不僅對附近部位，而且對整體結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生不利影響。為分析偏斜運行影響程度，選取一種現(xiàn)場電機發(fā)生故障時的特殊工況進行模擬校核。起重機大車運行起動過程中，一側(cè)運行機構(gòu)發(fā)生故障未啟動，另一側(cè)行走機構(gòu)在電機作用下產(chǎn)生沿軌道方向的驅(qū)動力，而未啟動的一側(cè)因為主梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平側(cè)向載荷，此二者共同作用在主結(jié)構(gòu)上，出現(xiàn)最不利的非工作載荷組合，設(shè)此模擬載荷組合為D1 工況。

模型計算時在一側(cè)加載電機運行驅(qū)動力，將另一側(cè)約束靜止狀態(tài)的靜摩擦力之下，分別計算剛性腿側(cè)和撓性腿側(cè)運行機構(gòu)故障的情況，建立模型分析對結(jié)構(gòu)的影響。為體現(xiàn)底部軌道載荷的附加力，將底部約束的平動自由度釋放，在支腿底部加載水平側(cè)向力。因撓性腿平面剛性弱于剛性腿，因此選取撓性腿側(cè)加載水平側(cè)向載荷和水平運行慣性力，計算分析其影響。

4 實例分析

考慮由大車運行機構(gòu)引起的水平慣性力影響。本龍門吊大車運行速度21m/min；折算速度為0.35m/s，查表加速時間4.1s，取加速度0.098m/s2，取得水平慣性力系數(shù)φ5（換算重力系數(shù)）為

電機選型功率為4kW，數(shù)量為4，經(jīng)計算電機驅(qū)動力9 000N 略大于水平慣性力，在模擬D1工況計算時取較大值作為危險載荷代入。

B1 工況，正常工作載荷。結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)計表中數(shù)值為在不同位置加正常工作載荷時得到的各桿件的最大應(yīng)力值。B5-1 數(shù)據(jù)為撓性腿側(cè)小車滿載、大車制動時載荷組合工況的應(yīng)力值。

B5-2 工況水平偏斜力從軌道接觸位置產(chǎn)生，但由于支腿底部輪緣與軌道之間平動約束的存在，結(jié)構(gòu)變形被限制在輪緣間隙范圍內(nèi)，因此只影響局部結(jié)構(gòu)。為研究其載荷影響，本工況模型將軌道水平約束放寬，分析對整機結(jié)構(gòu)受力的影響。

D1 工況邊界約束條件同B5-2 工況，載荷項目增加了行走電機作用的運行驅(qū)動力。各組合工況計算結(jié)果如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)計表

從表2 中計算結(jié)果可知，水平側(cè)向載荷作為一種常規(guī)載荷，雖然在不同規(guī)范中對其取值有差異，但對結(jié)構(gòu)整體影響不大。B5-1 工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于B1 組合工況的最大應(yīng)力值，局部桿件應(yīng)力增大后仍符合許用應(yīng)力要求。B5-2 工況與B5-1工況計算結(jié)果比較，水平側(cè)向力增大了撓性腿側(cè)附近結(jié)構(gòu)應(yīng)力，但對剛性腿側(cè)幾乎沒有影響。在設(shè)計起重機時，一般只考慮水平側(cè)向力的局部影響，如行走臺車和行走梁。

D1 工況與B5-1 工況計算結(jié)果比較，對撓性腿側(cè)應(yīng)力影響很小，但對剛性腿側(cè)水平腹桿影響較大。此模擬工況下?lián)闲酝鹊牟粚ΨQ載荷對主梁受力為水平面的懸臂載荷，門式起重機跨度較大，力臂較長，軌道在行走方向上沒有約束，因此產(chǎn)生了較大的水平彎矩。剛性腿作為約束端，其根部水平約束反力達到了7×104N，遠超規(guī)范推薦算法的計算結(jié)果。偏斜運行導(dǎo)致在主梁變截面處也產(chǎn)生了較大的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力。本文計算代入載荷僅為電機正常運行時的驅(qū)動力，整機運行起動時大車行走電機有瞬時啟動轉(zhuǎn)矩峰值效應(yīng)，并會產(chǎn)生運行沖擊載荷，可能引起結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力屈服破壞。

為避免偏斜運行對門式起重機整體結(jié)構(gòu)的影響，GB/T 3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》中要求：當門式起重機跨度超過30m 時，需要采用剛性腿加撓性腿的支腿結(jié)構(gòu)；跨度大于40m 的門式起重機和裝卸橋應(yīng)設(shè)置偏斜指示或限制裝置。現(xiàn)實中單側(cè)電機同時損壞的可能性較小，且電氣保護裝置會限制出現(xiàn)單側(cè)運行的情況發(fā)生，正常工作時不會出現(xiàn)如D1 模擬工況的極限狀態(tài)。門式起重機兩側(cè)支腿運行的同步性要能實現(xiàn)檢測反饋，一般運行偏斜量控制在1‰以內(nèi)；當偏斜量超過3‰時，應(yīng)立即停車檢查[4]。

5 結(jié)論

本文通過建立門式起重機有限元分析模型，計算對水平側(cè)向載荷和水平慣性力，并模擬一種故障狀態(tài)下的極端情況作為特殊載荷組合進行計算起重機的安全性，分析規(guī)范制定的原因如下。

1）水平側(cè)向力的產(chǎn)生原因很多，按照規(guī)范取值計算得出的水平側(cè)向載荷后，應(yīng)分析對局部結(jié)構(gòu)的影響，對本文研究結(jié)構(gòu)形式的門式起重機在保障其他載荷組合通過校核的前提下，可以不單計算整機金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

2）在D1 工況的極限狀態(tài)下，由部件故障等原因引起的水平側(cè)向載荷已經(jīng)遠遠超過了規(guī)范計算的正常值，對整機結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了不可忽略的應(yīng)力影響，必須采取有效糾偏措施，保障門式起重機的運行安全。

3）門式起重機跨度較大時，采用撓性腿結(jié)構(gòu)和糾偏裝置進行控制都會降低運行偏斜載荷對整體結(jié)構(gòu)受力的影響。