大型造船龍門起重機小車車架結構有限元分析

 

    造(zao)船(chuan)龍(long)門(men)起(qi)重(zhong)機(ji)上(shang)小(xiao)車(che)車(che)架(jia)是(shi)支(zhi)承(cheng)和(he)安(an)裝(zhuang)起(qi)升(sheng)機(ji)構(gou)和(he)運(yun)行(xing)機(ji)構(gou)的(de)機(ji)架(jia)，是(shi)小(xiao)車(che)上(shang)諸(zhu)多(duo)機(ji)構(gou)的(de)安(an)裝(zhuang)基(ji)座(zuo)。在(zai)設(she)計(ji)時(shi)，要(yao)求(qiu)足(zu)夠(gou)的(de)強(qiang)度(du)和(he)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)剛(gang)度(du)，重(zhong)量(liang)輕(qing)
，製(zhi)造(zao)安(an)裝(zhuang)方(fang)便(bian)。因(yin)它(ta)是(shi)重(zhong)量(liang)較(jiao)大(da)的(de)一(yi)個(ge)部(bu)件(jian)，所(suo)以(yi)在(zai)保(bao)證(zheng)強(qiang)度(du)、剛度足夠的前提下，提高小車架設計計算的準確性，充分挖掘其潛在的承載能力
，不但可以減輕小車架的自重、降低小車輪壓，而且可以減輕橋架負載、節約鋼材方麵和改善整台起重機的使用性能具有一定的意義。過去我國設計計算小車架，均將其簡化為縱
、橫(heng)簡(jian)支(zhi)梁(liang)的(de)計(ji)算(suan)模(mo)型(xing)
，用(yong)材(cai)料(liao)力(li)學(xue)原(yuan)理(li)進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)
，並(bing)采(cai)用(yong)較(jiao)大(da)的(de)安(an)全(quan)係(xi)數(shu)以(yi)確(que)保(bao)安(an)全(quan)使(shi)用(yong)。但(dan)近(jin)年(nian)來(lai)我(wo)國(guo)引(yin)進(jin)的(de)起(qi)重(zhong)機(ji)中(zhong)，一(yi)些(xie)新(xin)產(chan)品(pin)的(de)小(xiao)車(che)架(jia)幾(ji)乎(hu)可(ke)以(yi)比(bi)我(wo)國(guo)重(zhong)量(liang)輕(qing)一(yi)半(ban)

，表(biao)明(ming)我(wo)國(guo)的(de)產(chan)品(pin)過(guo)於(yu)保(bao)守(shou)
，有(you)必(bi)要(yao)采(cai)用(yong)新(xin)設(she)計(ji)辦(ban)法(fa)減(jian)輕(qing)小(xiao)車(che)架(jia)的(de)自(zi)重(zhong)。

 

    小車架的型式有鑄造的
、鉚接的和焊接的三種。鑄造的小車架特點是，在鑄造的同時軸承座和減速器的箱殼都鑄成一體。其具有架子堅固、孔(kong)的(de)製(zhi)造(zao)精(jing)確(que)，工(gong)作(zuo)時(shi)軸(zhou)承(cheng)座(zuo)不(bu)易(yi)移(yi)動(dong)和(he)變(bian)位(wei)等(deng)優(you)點(dian)，但(dan)鑄(zhu)造(zao)和(he)加(jia)工(gong)比(bi)較(jiao)麻(ma)煩(fan)，重(zhong)量(liang)較(jiao)重(zhong)，應(ying)用(yong)較(jiao)少(shao)。鉚(mao)接(jie)的(de)小(xiao)車(che)架(jia)重(zhong)量(liang)較(jiao)輕(qing)
，曾(zeng)被(bei)采(cai)用(yong)，近(jin)年(nian)來(lai)隨(sui)著(zhe)焊(han)接(jie)工(gong)藝(yi)的(de)發(fa)展(zhan)被(bei)焊(han)接(jie)車(che)架(jia)所(suo)替(ti)代(dai)。

 

    焊接的車架由型鋼(槽鋼、工字鋼、角鋼)和鋼板焊接而成，對於小起重量的起重機小車由型鋼焊接而成；對(dui)於(yu)大(da)起(qi)重(zhong)量(liang)的(de)起(qi)重(zhong)機(ji)，全(quan)用(yong)鋼(gang)板(ban)焊(han)接(jie)而(er)成(cheng)。型(xing)鋼(gang)剛(gang)度(du)較(jiao)好(hao)，但(dan)受(shou)尺(chi)寸(cun)規(gui)格(ge)數(shu)量(liang)的(de)限(xian)製(zhi)，起(qi)重(zhong)機(ji)小(xiao)車(che)多(duo)用(yong)鋼(gang)板(ban)焊(han)接(jie)而(er)成(cheng)。近(jin)年(nian)來(lai)，為(wei)了(le)減(jian)少(shao)焊(han)接(jie)工(gong)作(zuo)量(liang)，在(zai)車(che)架(jia)中(zhong)采(cai)用(yong)一(yi)部(bu)分(fen)鋼(gang)板(ban)衝(chong)壓(ya)成(cheng)型(xing)的(de)構(gou)件(jian)來(lai)代(dai)替(ti)焊(han)接(jie)構(gou)件(jian)，使(shi)車(che)架(jia)的(de)重(zhong)量(liang)減(jian)輕(qing)，製(zhi)造(zao)更(geng)加(jia)方(fang)便(bian)。

 

    製造小車架所用的型鋼和鋼板一般為Q235B和Q345B。采cai用yong高gao強qiang度du的de鋼gang材cai製zhi造zao小xiao車che架jia
，雖sui然ran可ke以yi減jian輕qing重zhong量liang，但dan因yin此ci而er過guo分fen降jiang低di小xiao車che架jia的de剛gang度du會hui影ying響xiang到dao其qi上shang各ge種zhong機ji構gou傳chuan動dong的de工gong作zuo性xing能neng。根gen據ju國guo內nei各ge種zhong大da型xing造zao船chuan龍long門men起qi重zhong機ji設she計ji經jing驗yan表biao明ming，小xiao車che每mei減jian重zhong1噸，龍門起重機主梁自重將降低10dunzuoyou
，yinciheliyouhuaxiaochejiajiegouduiqizhongjizhengjijianzhongyouzhezhiguanzhongyaodeyiyi。qizhongjixiaochedezuidalunyashiyigezhongyaodexingnengcanshu，lunyafenbubudanyingxiangxiaochedegongzuopingwenxing，erqieyingxiangxiaochechelunshoumingheqiaojiasheji。anzhaolunyafenpeijinxingxiaochedebuzhishejishiyoushiyongjiazhide。

 

    2小車架的結構

 

    造船龍門起重機的上小車架是承受空間力係作用的平麵框架，圖1上小車起升機構及排繩裝置布置，圖2造船龍門起重機上小車車架結構。

 

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    圖1上小車起升機構及排繩裝置布置

 

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    圖2造船龍門起重機上小車車架結構

 

    機械結構對所承受載荷的響應外部表現形式為應力和變形
，而這種響應取決於其構成材料。利用ANSYS進行分析
，必須指明結構所用材料的屬性，可以從材質庫中選擇材料，也可手動輸入屬性值。上小車車架的材料均為Q345B
，其屬性值如下：

 

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    3小車架有限元模型的建立及網格劃分

 

    小車架劃分網格後的模型（圖3網格劃分模型）選擇的單元類型為Shell63，此單元由4各節點組成，每個節點具有X、Y、Z位移自由度和X
、Y
、Z旋轉方向自由度，共6geziyoudu
，keyijiaozhenshidefanyingshangxiaochechejiajiegoudeshijichengzaizhuangkuang。duizhenggexiaochejiajiegoujihemoxingdeguizemiancaiyongziyouwanggehuafen
，xuanzeshidangdedanyuanchicun，tongshiduixiaochejiapinghenglianghehualunzhizuochuzuoxiangguanchuli，weilededaojiaoweizhunquedejisuanjieguo，wanggehuafenweiguizedesibianxing。zhenggemoxinghuafendedanyuanshuwei50483個
，節點數為48574個。對左邊支腿銷軸連接處施加全約束，即約束2個支撐麵X、Y、Z方向的平移自由度和X
、Y、Z方向的旋轉自由度；右邊支腿銷軸連接處施加局部約束，即約束2個圓柱麵部分節點Z方fang向xiang的de平ping移yi自zi由you度du。貼tie板ban開kai孔kong代dai替ti銷xiao軸zhou耳er板ban孔kong。假jia設she軸zhou剛gang度du很hen大da
，貼tie板ban位wei於yu銷xiao軸zhou孔kong處chu節jie點dian的de徑jing向xiang位wei移yi受shou到dao約yue束shu，平ping衡heng梁liang軸zhou隻zhi能neng自zi由you轉zhuan動dong，受shou鋼gang軌gui及ji輪lun軌gui摩mo擦ca力li的de約yue束shu
，車che輪lun隻zhi沿yan鋼gang軌gui方fang向xiang運yun動dong，有you限xian元yuan模mo型xing在zai位wei於yu銷xiao軸zhou孔kong處chu節jie點dian的de軸zhou向xiang位wei移yi受shou到dao約yue束shu，位wei移yi為wei零ling。

 

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    圖3網格劃分模型

 

    4靜態載荷及約束條件的施加

 

    gaiqizhongjizaichuanchanglutianshiyong，chengshoufengzai，dangqizhongjigongzuoshi，youyujiegoudezhendong，zizhongzaiheyoudongzaixiaoying。genjufenxi，zizhongzaihedechuizhidongzaixiaoyingzhuyaofashengzaiyixialiangzhonggongkuangsuojifadezhendongguochengzhong，qiyishiqishengzhilianglidiqishenghuoxiajiangzhidongshisuojifadezhendongguocheng；其二是起重機或起重機的部分裝置經軌道接頭處所激發的振動過程。該工況下小車架受的外載荷分四部分：

 

    (1)自重載荷G

 

    自重載荷包括小車架金屬結構自重
、及其上的機構自重、dianqishebei。youzizhongzaihejiqixiangyingdeguanxingzaihehedongzaixiaoyingsuozaochengdejigoudeneiyinglizaizongdeneiyinglizhongsuozhandebizhongshixiangdangkeguande
，yincizizhongzaihedezhengquequedingduiquebaoshejizhilianghechanpinanquanjuyouzhongyaoyiyi。shifushilianggoujiandezizhongyibanzuoweiyanquanchangdejunbuzaihechuli；機械和電氣設備的自重作為作用在其安裝部位處的集中載荷處理。

 

    (2)起升載荷Q

 

    小車起升載荷為額定起重量100t、吊鉤自重3.4t及鋼絲繩懸垂段產生的重力。考慮起升載荷動載效應
，應乘以起升衝擊係數φ1或起升動載係數φ2。

 

    ①起升載荷動載係數φ2的計算

 

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    式中：c——物體離地速度係數，吊鉤作業取0.5；

 

    v——額定起升速度(m/s)；

 

    f0——允許撓度

，f0=L/2000=0.0041

 

    λ0——λ0=0.0029H=0.203

 

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    ②起升載荷衝擊係數φ1的計算

 

    當物體離地起升時，對上小車本身將產生振動激勵，小車架自身重量受到起升衝擊而出現的動力增長

，用起升衝擊係數φ1乘以小車架自身質量的重力來考慮。

 

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    起升載荷分為2bufen，yibufenzuoyongzaiqishengjuantongshang，lingyibufentongguodinghualunzuzuoyongzaidinghualunzuzhichengbanshang，zaihedefenpeibiliyuqishengjigoudesubiyouguan。juantongsuochengshoudeqishengzaihetongguojiansuqijilingyiduandezhichengyijunbuzaihedexingshi
，zuoyongzaizongliangfubandezhengshangfang。donghualunzuchudezaiheweijizhongzaihe，shijijiegoudinghualunzuzhichengbanyaojubujiahou，yincijianlikedanyuanmoxingshi，cichushiyihouban，zhongjiankaikong，anzhuangdinghualunzhou。zuoyongzaicichudebufenqishengzaiheanfenbulichuli

，junyunzuoyongzaiyuankongdexiabanbufen，fenbulifangxiangyanbanjingfangxiang：

 

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    式中：q——滑輪組軸孔處分布力
；

 

    Q——作用在定滑輪組的起升載荷
；

 

    d——定滑輪組滑輪軸軸孔直徑

；

 

    m——起升機構倍率。

 

    由於分布力沿徑向方向，其合力為起升載荷的一半，實際徑向力要放大π/2倍。

 

    (3)水平慣性載荷

 

    xiaocheyunxingqizhidongshichanshengyidingdejiasudu，xiaocheshoudaoguanxinglidezuoyong，gaiguanxingliyanshuipingfangxiangzuoyongzaixiaochegezuchengbufenjizhongwushang。benjiqizhidongjiasuduquwei0.2328m/s2，考慮上小車驅動力突變時結構的動載效應，施加載荷時，該加速度放大φ5=1.5倍。這些慣性力都作用在相應的質量上，撓性懸掛的起升荷重按作用於起重機剛性連接同等對待。ANSYS建jian模mo時shi，小xiao車che架jia慣guan性xing力li為wei均jun布bu體ti積ji力li，作zuo用yong在zai起qi升sheng機ji構gou及ji重zhong物wu的de慣guan性xing力li要yao先xian行xing計ji算suan
，然ran後hou根gen據ju起qi升sheng機ji構gou與yu小xiao車che架jia的de接jie觸chu麵mian積ji算suan出chu均jun布bu力li，作zuo為wei麵mian載zai荷he施shi加jia在zai模mo型xing上shang。小xiao車che製zhi動dong時shi產chan生sheng的de水shui平ping慣guan性xing載zai荷he為wei

 

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    因此，PH=1.5×312×0.2328=1089.5KN

 

    (4)運行產生的衝擊載荷

 

    上小車在運行時由於軌道接頭間隙或高低差會使運動的質量在鉛垂方向產生衝擊作用。用運行衝擊係數φ4乘以自重載荷G和起升載荷Q來考慮。

 

    對有軌運行起重機可根據實際情況按下列方法確定：

 

    ①對於軌道接頭保持保持良好狀態的上小車

，如軌道用焊接連接
，並對接頭進行打磨光滑的高速起重機，取φ4=1。

 

    ②對於雖未采用焊接連接，但軌道接頭質量符合GB/T10183的起重機，取φ4=1。

 

    ③對一般軌道接頭情況
，根據運行速度和軌道高低差按下式計算：

 

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    式中：Vy——運行速度；

 

    h——軌道接頭處兩軌麵的高度差，mm。

 

    (5)偏斜運行時水平側向載荷Ps

 

    偏斜運行時的水平側向載荷：

 

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    式中：λ——水平側向載荷係數，與軌距L和基距B的比值有關
，λ=0.1；

 

    ∑P——上小車產生側向載荷一側經常出現的最大運行輪壓之和，∑P=1560KN；

 

    根據以上分析
，分別以空載和滿載加載
，然後應用試湊法計算出上小車的吊重差和相應的結構變形值及結構應力雲圖。

 

    5靜態計算結果

 

    應用Ansys軟件對建立有限元模型，並施加約束和載荷後的上小車車架結構進行靜態計算，並應軟件的後處理功能對計算結果進行分析。

 

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    圖4空載工況下小車架的下撓值

 

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    圖5a平行於小車軌道方向的變形圖5b垂直於小車軌道方向的變形

 

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    圖5c垂直方向上的變形圖5d垂直於大車軌道方向轉角

 

    圖5上小車結構位移雲圖

 

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    圖6上小車Von-stress應力雲圖

 

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    圖7a平行於小車軌道方向的變形圖7b垂直於小車軌道方向的變形

 

    圖7上小車結構應力雲圖

 

    計算結果表明小車架較大變形處位於連接定滑輪組支承板的兩橫梁中間位置和小車架支座法蘭處，其豎向變形為fmax=1.319mm<4.1mm，該處最大應力為σmax=132.097MPa<259MPa，除chu平ping衡heng梁liang與yu小xiao車che架jia的de連lian接jie區qu域yu外wai，小xiao車che架jia其qi餘yu各ge部bu分fen應ying力li變bian形xing皆jie小xiao於yu此ci位wei置zhi。由you於yu應ying力li集ji中zhong的de存cun在zai，平ping衡heng梁liang與yu小xiao車che架jia的de連lian接jie處chu應ying力li值zhi達da到dao54.14Mpa，此處筋板厚度為16mm，設計時應加強。建立起重機小車架的殼單元模型、施加載荷和約束要根據實際結構作適當處理，才能使計算結果更準確。

 

    從圖5上小車結構位移雲圖

、圖7上小車結構應力雲圖

，結合小車架剛度條件，歸結為：

 

    (1)小車架剛度裕度比較大，按照起重機設計規範GB3811-83規定為f0=L/2000=4.1mm。

 

    (2)在所測定的梁中
，剛度稍差的梁為跨中橫梁

，下撓值為1.319mm。