摘要:文章通过对起重机主梁的受力分析,以优化理论为基础建立了适当的优化模型。以主梁重量最轻为优化的设计目标,以主梁的截面尺寸为设计变量,在满足强度、刚度、稳定性以及工艺要求的前提下,列出约束方程,应用结构优化设计方法求解出主梁截面尺寸的最优解。
关键词:起重机;主梁;受力分析;设计方法;稳定性分析
中图分类号:TH211文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)13-0059-02
目前,由于起重机产品相对定型,通常主梁的尺寸根据《起重机设计手册》中推荐的截面进行选择,一般工厂设计不做计算,且结构与尺寸一旦确定,往往很长时间不作改动。有时截面尺寸越选越大,造成很大浪费。随着起重机向大吨位、低噪声、减小振动及轻型化方向的不断发展,原有产品越来越不能适应当前要求。在设计时,应该选择最佳结构参数,使产品达到最佳经济和技术性能指标,降低自重,提高产品的性能价格比。确定主梁最佳截面尺寸,可将主梁作为一个系统来考虑,采用优化方法确定主梁截面最佳尺寸,其效果最好。
一、起重机主梁的设计方法
工作机构包括:起升机构、运行机构、变幅机构和旋转机构,被称为起重机的四大机构。
(一)起升机构
起升机构是用来实现物料的垂直升降的机构,是任何起重机不可缺少的部分,因而是起重机最主要、最基本的机构。
(二)运行机构
运行机构是通过起重机或起重小车运行来实现水平搬运物料的机构,有无轨运行和有轨运行之分,按其驱动方式不同分为自行式和牵引式两种。
(三)变幅机构
变幅机构是臂架起重机特有的工作机构。变幅机构通过改变臂架的长度和仰角来改变作业幅度。
(四)旋转机构
旋转机构是使臂架绕着起重机的垂直轴线作回转运动,在环形空间运移动物料。起重机通过某一机构的单独运动或多机构的组合运动,来达到搬运物料的目的。
长期以来,起重机主梁的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计法和类比法、直觉法等传统设计方法,设计过程反复多,周期长,设计的精确度差。近年来随着电子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程、人机工程等现代设计理论的不断发展,促使许多跨学科的现代设计方法出现,使起重机主梁的设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。
起重机主梁的设计方法主要有极限状态设计、计算机辅助设计、通用化设计等。其中的计算机辅助设计,用户只要在计算机显示的桥式起重机图形菜单上作直观的基本参数选择,基本结构形式选型,计算机立即进行设计计算和标准部件的选择,显示并打印出所需起重机的总图及各主要技术参数,必要时还可输出部件计算结果及各主要受力点的应力分析。而对成系列、成批量的通用起重机产品,为了降低生产成本,简化生产管理,希望用最少规格数的零部件组成尽可能多产品规格型号数时,通用化设计就将会受到设计人员的关注。
二、起重机主梁的结构受力分析
起重机械在运行过程中,要承受各种载荷(如静载、动载、交变载、冲击载、振动载等),各承载零件和结构件会产生相应的应力和变形,如果超过一定的限度,就会丧失功能甚至破坏,从而造成危险。起重机在作业过程中,承受载荷的复杂性不仅反映在载荷种类的多样性上,而且随着起重机作业的工作状况的不同而表现出多变的特征。载荷是起重机及其组成零部件正常工作受力分析的原始依据,也是零部件报废或事故原因判断分析的依据,载荷确定得准确与否将直接影响计算结果的安全性和事故结论的正确性。
(一)静载荷
当起重机处于静止状态或稳定运行状态时,起重机只受到自重载荷和起升载荷的静载荷作用。
1.自重载荷PG。它包括起重机的金属结构、机械设备、电气设备,以及附设在起重机上的存仓或输送机及其上的物料等的重力(起升载荷的重力除外)。载荷的作用方式可以分别考虑,一般情况下机械设备和电气设备的载荷视为集中载荷。
2.起升载荷PQ。这是指所有起计质量的重力。包括允许起升的最大有效物品、取物装置(如下滑轮组、吊钩、吊梁、抓斗、容器、起重电磁铁等)、悬挂绕性件,以及其他在升降中的备质量的重力。起升高度小于 50 m的起升钢丝绳的重量可以不计。
(二)动载荷
动载荷是起重机在运动状态改变时产生的动载效应。它是强度计算的重要依据,对疲劳计算也有影响。
起重机不工作或吊载静止在空中时.其自重载荷和起升载荷处于静止状态。在起重机工作时、当运动状态改变、动载效应使原有静力载荷值增加,其增大的部分就是动载荷。动载荷包括在变速运动中结构自重和起升载荷产生的惯性载荷;由于车轮经过不平整轨道接头或运动部分对缓冲器的撞击产生的冲击载荷;惯性载荷和冲击载荷使金属结构和机构的弹性系统产生振动的振动载荷。动载荷与运动方向和工作速度(加速度)有关,与结构因素(如系统质量的分布,系统的刚度和阻尼等)有关,而且与使用条件(如外载荷的大小及其变化规律、有无冲击等)有关。为了计算方便,通常用动力系数(动载荷与静载荷的比值)表示。使用时一般根据实际情况,查阅起重机设计规范及有关手册选用。
(三)垂直动载荷
1.起升冲击系数。起升质量突然离地起升或下降制动
时,自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击作用。在考虑这种工况的载荷组合时,起升冲击系数与起重机自重载荷相乘的数值范围为:
0.9≤φ1≤1.1
2.起升载荷动载系数。起升质量突然离地起升或下降制动时,考虑被吊物品重力的动态效应的起升载荷增大系数。在考虑这种工况的载荷组合时,起升载荷动载系数与起升载荷相乘。φ2值的大小与起升速度、系统刚度及操作情况有关,一般在1.0～2.0范围内。起升速度越大,系统刚度越大,操作越猛烈,则φ2值也越大。φ2值可用如下公式(1)估算:
φ2=1+cv (1)
式(1)中:v——额定起升速度,m/s;
c——操作系数,c=v0/v,v0为起升质量离地瞬间的起升速度,m/s;
g——重力加速度;
λ0——在额定起升载荷作用下,下滑轮组对上滑轮组的位移量,m;
y0——在额定起升载荷作用下物品悬挂处的结构静变位值,m;
δ——结构质量影响系数。
3.突然卸荷冲击系数。当起升质量部分或全部突然卸载时,将对结构产生动态减载作用。这种工况对金属结构和起重机抗倾覆的稳定性计算非常有用。减小后的起升载荷等于突然卸载的冲击系数与起升载荷的乘积。φ3的计算公式为:
φ3=1-(1+β3)(2)
式(2)中:△m——起升质量中突然卸去的那部分质量,kg;
M——起升质量,kg;
G——重力加速度;
β3——起重机的系数,对于抓斗起重机或类似起重机,β3=0.5;对于电磁起重机或类似的起重机,β3=1.0。
4.运行冲击系数。起重机或小车通过不平道路或轨道接缝时的铅垂方向的冲击效应。在考虑这种工况的载荷组合时,应将自重载荷和起升载荷乘以运行冲击系数。运行冲击系数与起重机或小车 的运行速度、轨道或道路状况有关。对有轨运行的,其运行冲击系数可按下式计算:
φ4=1.10+0.058v (3)
式(3)中:h——轨道接缝处两轨道面的高度差,mm;
v——运行速度,m/s。
三、主梁稳定性分析
主梁的稳定性分整体与局部两种,轧制工字钢(无侧向支承者)需计算整体稳定性而不必考虑局部稳定性(组合工字梁除外),箱形梁要考虑这两种稳定性,但以局部稳定性为主。箱形梁的刚度很大,若选取梁的高宽比≤3,则不需验算梁的整体稳定性。一般的箱形梁均能满足这种要求。
(一)翼缘板的稳定性
当主梁宽度与受压翼缘板厚度之比大于或等于60(Q235钢)或50(16Mn钢)时,应考虑受压翼缘板的局部稳定性,设置一道或多道纵向加劲肋。
(二)腹板局部稳定性
偏轨箱形梁轨道在主腹板上,故不需设置短横向加劲板。因主、副腹板的厚度不同和受力不同,应分别考虑。主腹板要考虑集中轮压的作用,副腹板按无集中载荷考虑。腹板的临界应力与板的应力状态、区格尺寸和板边的嵌固程度有关。
四、结语
总之,目前带起重机已经广泛设计并应用,通过本文的研究,希望能够对起重机主梁的设计提供有益的理论依据,把设计工作的主要精力转到方案的选择方面来,使结构设计由被动的校核设计转变为积极主动地从各种可能的设计方案中寻求最优的方案,并且有助于促进起重机械的标准化和系列化。
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