桥式起重机主梁有限元分析

   

      桥式起重机的大梁横跨于跨间内一定高度的专用轨道上,可沿着轨道在跨间的纵向移动。在大梁上布置有起升装置,大多数起升装置采用起重小车。起升装置可沿着大梁在跨间横向移动,外观像是一条金属的桥梁,所以人们称为桥式起重机。桥式起重机也俗称“天车”。


      本文采用三维设计软件solidworks分析目前在研究桥式起重机中存在的问题,对桥式起重机主梁进行了建模和相应的理论计算。然后对其进行有限元分析,找出了主梁容易发生疲劳损伤的部位,为以后设计、运行与维护提供理论依据。


1 研究对象

       尽管桥式起重机的类型繁多,但其基本结构是相同的。桥式起重机主要由大梁,起升装置,端梁,大梁行走机构,起升装置行走机构,轨道和电气动力,控制装置等构成。主梁变形一般是指主梁上拱严重减少和残余下挠(空载时,起重机主梁低于水平线的下挠值)。这对起重机的安全使用和承载能力都将产生严重影响,甚至可能发生人身和设备事故。所以主梁变形与设备安全密切相关,应引起设备管理人员,有关领导及天车、起重工的重视。

       本文所研究对象的技术特性表和材料分别在表1、表2中列出。

表1 技术特性表

技术特性表

表2 材料特性表

材料特性表


2 基于Solidworks的三维建模

    2.1 桥式起重机主梁三维参数化设计方法

    Solidworks是windows环境下的三维机械CAD软件。采用windows用户界面,具有三维CAD软件一贯提倡的易用性、高效性和功能强大,完整提供了产品设计解决方案。目前,使用solidworks软件进行参数化建模的主要技术特点是:

    1)基于特征。将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征,并将其所有尺寸存为可调参数,进而形成实体,以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。

    2)全尺寸约束。将形状和尺寸联系起来考虑,通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。

    3)尺寸驱动设计。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变,尺寸参数的修改将导致其他相关模块中的相关尺寸全盘更新。采用这种技术的理由在于它能够彻底地克服自由建模的无约束状态,几何形状均以尺寸形式而被牢牢地控制住。

    2.1.1 基于尺寸驱动的参数化建模

    基于尺寸驱动的参数化建模通过对模型的几何尺寸进行修改实现对图形的修改。它是应用最为广泛的建模方法,也是最基本的方法。事实上,无论其余的方法利用什么来改变图形,基本上都是通过几何尺寸的改变来实现的。

    2.1.2 基于约束驱动的参数化建模

    在维持几何约束关系不变的前提下,通过约束值的修改实现系统的变化,几何约束驱动本质上是一个集合实体约束满足的过程。它通过一定的约束规划和推理方法实现集合实体的空间定位。基于几何约束的参数化建模用几何约束来表达产品模型的形状特征,定义一组参数以控制设计结果,从而能够通过调整参数来修改设计模型。产品模型的修改通过尺寸驱动实现,通过给定的几组参数值,实现了系列零件或标准件的自动生成。约束的引入使对设计目标依赖关系的描述成为可能。

    2.1.3 基于特征的参数化建模

    基于特征的参数化建模综合运用参数化特征造型的变量几何法和基于生成历程法这两种造型方法实现特征的构造和编辑。基于特征的参数化建模是新型的CAD建模方法,是CAD/CAPP/CAM的热点研究方向。

    本文根据桥式起重机主梁的结构特点,在桥式起重机主梁参数化建模中,利用参数修改法建模和solidworks本身的特征建模。

    2.2 模型图

    本文主要设计的是桥式起重机的箱型主梁。箱型结构由上下盖板和两个腹板构成一个箱体,箱内还有横隔板和纵横长短筋板,模型图如图1所示。

主梁三维模型图

图1 主梁三维模型图


3 受力分析

    3.1 自重载荷

    自重载荷主要分为两大类,一类是均布载荷,主要由主梁、走台、栏杆、配电管等组成,另一类是集中载荷,主要由闭式操作室、大车运行机构、电气设备等组成。在材料属性中己设定了材料密度,且重力是分布力,重力加速度的方向是垂直向下,在Solidworks中只需要给出受力方向和数值即可自动算出主梁的重力大小。

    3.2 起升载荷

    起升载荷是指起升质量的重力。由于起升高度小于50m,所以钢丝绳的质量可以不计。因物品下降制动时对承载机构和传动机构将产生附加的动载作用。这一动载作用可以通过将起升载荷乘以大于1的起升载荷动载系数φ2考虑。

    系数φ2的取值方法如下

    式中va——稳定起升速度,

    β2——起升状态级别系数,

    φ2min——起升载荷最小动载系数,与起升状态级别有关。

    查起重机设计手册可得,va≤0.2m/s时,φ2=φ2min=1.1

    3.3 载荷分析

    在起重机工作过程中,主梁受到本身自重、小车重量和载重量三者共同作用。自重载荷可以靠施加重力加速度获得,小车自重和载重量可在主梁上施加相应的载荷获得。主梁最大载重12.5t+12.5t。因为是双梁起重机,载重量均匀分布到每根梁上。对于集中载荷可以均匀地加载到特定节点附近的部分节点上,可消除应力过于集中的现象,避免局部变形过大。载荷大小即小车轮压值,方向是垂直向下。考虑到物品起吊离地或下降制动时对起重机金属结构的振动影响,必须对起重机质量产生的重力,乘以系数φ1,φ1称为起升冲击系数,φ1=1±a,0<


4  有限元分析

       由于桥式起重机主梁的简化模型是简支梁,因此对梁的一端施加全约束,另一端施加x和y方向的约束。把自重载荷、起升载荷施加到梁的相应部位,取重力加速度为9.8m/s2,在主梁中间端部施加重物载荷。添加力并划分网格后结果如图2。

桥式起重机主梁受力约束与划分网格图

图2 桥式起重机主梁受力约束与划分网格图

      

       主梁的等效应力分布如图3所示,最大应力值为198.242MPa,最大应力产生于主梁中段腹板截面处。

       由应力云图可知,主梁中端存在应力集中现象,因此主梁端部应为无损检测的重点部位。由图3,图4可知,载荷加载于跨中时产生的主梁中间处的应力最大,同时,综合主梁位移图5显示最大位移16.52mm,可得出该主梁还可以进一步优化,减轻重量。

等效应力分布图

图3 等效应力分布图

主梁应变图

图4 主梁应变图

主梁位移图

图5 主梁位移


5 结论

       桥式起重机的三维设计在有限元分析、运动仿真、优化设计和二维图纸应用方面应用广泛,对生产实践也具有重要的指导意义。

       本文通过对模型进行三维建模并进行有限元分析,得知桥式起重机主梁中部腹板截面处应力最大,容易发生裂纹。

       设计人员在设计过程中,需要对此做充分的考虑,采取措施对容易损伤部位进行加固。同时对重点部位在日常运行过程中多加检修,避免事故发生。综合应力图和位移图结果显示,主梁可以进一步优化设计,降低起重机自身重量,为起重机的轻量化设计提供了重要参考。



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