大型造船龍門(mén)起重機(jī)小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元分析

 

    造船龍門(mén)起重機(jī)上小車(chē)車(chē)架是支承和安裝起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的機(jī)架，是小車(chē)上諸多機(jī)構(gòu)的安裝基座。在設(shè)計(jì)時(shí)，要求足夠的強(qiáng)度和具有一定的剛度，重量輕，制造安裝方便。因它是重量較大的一個(gè)部件，所以在保證強(qiáng)度、剛度足夠的前提下，提高小車(chē)架設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性，充分挖掘其潛在的承載能力，不但可以減輕小車(chē)架的自重、降低小車(chē)輪壓，而且可以減輕橋架負(fù)載、節(jié)約鋼材方面和改善整臺(tái)起重機(jī)的使用性能具有一定的意義。過(guò)去我國(guó)設(shè)計(jì)計(jì)算小車(chē)架，均將其簡(jiǎn)化為縱、橫簡(jiǎn)支梁的計(jì)算模型，用材料力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算，并采用較大的安全系數(shù)以確保安全使用。但近年來(lái)我國(guó)引進(jìn)的起重機(jī)中，一些新產(chǎn)品的小車(chē)架幾乎可以比我國(guó)重量輕一半，表明我國(guó)的產(chǎn)品過(guò)于保守，有必要采用新設(shè)計(jì)辦法減輕小車(chē)架的自重。

 

    小車(chē)架的型式有鑄造的、鉚接的和焊接的三種。鑄造的小車(chē)架特點(diǎn)是，在鑄造的同時(shí)軸承座和減速器的箱殼都鑄成一體。其具有架子堅(jiān)固、孔的制造精確，工作時(shí)軸承座不易移動(dòng)和變位等優(yōu)點(diǎn)，但鑄造和加工比較麻煩，重量較重，應(yīng)用較少。鉚接的小車(chē)架重量較輕，曾被采用，近年來(lái)隨著焊接工藝的發(fā)展被焊接車(chē)架所替代。

 

    焊接的車(chē)架由型鋼(槽鋼、工字鋼、角鋼)和鋼板焊接而成，對(duì)于小起重量的起重機(jī)小車(chē)由型鋼焊接而成；對(duì)于大起重量的起重機(jī)，全用鋼板焊接而成。型鋼剛度較好，但受尺寸規(guī)格數(shù)量的限制，起重機(jī)小車(chē)多用鋼板焊接而成。近年來(lái)，為了減少焊接工作量，在車(chē)架中采用一部分鋼板沖壓成型的構(gòu)件來(lái)代替焊接構(gòu)件，使車(chē)架的重量減輕，制造更加方便。

 

    制造小車(chē)架所用的型鋼和鋼板一般為Q235B和Q345B。采用高強(qiáng)度的鋼材制造小車(chē)架，雖然可以減輕重量，但因此而過(guò)分降低小車(chē)架的剛度會(huì)影響到其上各種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的工作性能。根據(jù)國(guó)內(nèi)各種大型造船龍門(mén)起重機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，小車(chē)每減重1噸，龍門(mén)起重機(jī)主梁自重將降低10噸左右，因此合理優(yōu)化小車(chē)架結(jié)構(gòu)對(duì)起重機(jī)整機(jī)減重有著至關(guān)重要的意義。起重機(jī)小車(chē)的最大輪壓是一個(gè)重要的性能參數(shù)，輪壓分布不但影響小車(chē)的工作平穩(wěn)性，而且影響小車(chē)車(chē)輪壽命和橋架設(shè)計(jì)。按照輪壓分配進(jìn)行小車(chē)的布置設(shè)計(jì)是有實(shí)用價(jià)值的。

 

    2小車(chē)架的結(jié)構(gòu)

 

    造船龍門(mén)起重機(jī)的上小車(chē)架是承受空間力系作用的平面框架，圖1上小車(chē)起升機(jī)構(gòu)及排繩裝置布置，圖2造船龍門(mén)起重機(jī)上小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)。

 

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    圖1上小車(chē)起升機(jī)構(gòu)及排繩裝置布置

 

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    圖2造船龍門(mén)起重機(jī)上小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)

 

    機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)所承受載荷的響應(yīng)外部表現(xiàn)形式為應(yīng)力和變形，而這種響應(yīng)取決于其構(gòu)成材料。利用ANSYS進(jìn)行分析，必須指明結(jié)構(gòu)所用材料的屬性，可以從材質(zhì)庫(kù)中選擇材料，也可手動(dòng)輸入屬性值。上小車(chē)車(chē)架的材料均為Q345B，其屬性值如下：

 

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    3小車(chē)架有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

 

    小車(chē)架劃分網(wǎng)格后的模型（圖3網(wǎng)格劃分模型）選擇的單元類(lèi)型為Shell63，此單元由4各節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z位移自由度和X、Y、Z旋轉(zhuǎn)方向自由度，共6個(gè)自由度，可以較真實(shí)的反應(yīng)上小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀況。對(duì)整個(gè)小車(chē)架結(jié)構(gòu)幾何模型的規(guī)則面采用自由網(wǎng)格劃分，選擇適當(dāng)?shù)膯卧叽?，同時(shí)對(duì)小車(chē)架平衡梁和滑輪支座處做相關(guān)處理，為了得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，網(wǎng)格劃分為規(guī)則的四邊形。整個(gè)模型劃分的單元數(shù)為50483個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為48574個(gè)。對(duì)左邊支腿銷(xiāo)軸連接處施加全約束，即約束2個(gè)支撐面X、Y、Z方向的平移自由度和X、Y、Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度；右邊支腿銷(xiāo)軸連接處施加局部約束，即約束2個(gè)圓柱面部分節(jié)點(diǎn)Z方向的平移自由度。貼板開(kāi)孔代替銷(xiāo)軸耳板孔。假設(shè)軸剛度很大，貼板位于銷(xiāo)軸孔處節(jié)點(diǎn)的徑向位移受到約束，平衡梁軸只能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，受鋼軌及輪軌摩擦力的約束，車(chē)輪只沿鋼軌方向運(yùn)動(dòng)，有限元模型在位于銷(xiāo)軸孔處節(jié)點(diǎn)的軸向位移受到約束，位移為零。

 

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    圖3網(wǎng)格劃分模型

 

    4靜態(tài)載荷及約束條件的施加

 

    該起重機(jī)在船廠露天使用，承受風(fēng)載，當(dāng)起重機(jī)工作時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，自重載荷有動(dòng)載效應(yīng)。根據(jù)分析，自重載荷的垂直動(dòng)載效應(yīng)主要發(fā)生在以下兩種工況所激發(fā)的振動(dòng)過(guò)程中，其一是起升質(zhì)量離地起升或下降制動(dòng)時(shí)所激發(fā)的振動(dòng)過(guò)程；其二是起重機(jī)或起重機(jī)的部分裝置經(jīng)軌道接頭處所激發(fā)的振動(dòng)過(guò)程。該工況下小車(chē)架受的外載荷分四部分：

 

    (1)自重載荷G

 

    自重載荷包括小車(chē)架金屬結(jié)構(gòu)自重、及其上的機(jī)構(gòu)自重、電器設(shè)備。由自重載荷及其相應(yīng)的慣性載荷和動(dòng)載效應(yīng)所造成的機(jī)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力在總的內(nèi)應(yīng)力中所占的比重是相當(dāng)可觀的，因此自重載荷的正確確定對(duì)確保設(shè)計(jì)質(zhì)量和產(chǎn)品安全具有重要意義。實(shí)腹式梁構(gòu)件的自重一般作為沿全長(zhǎng)的均布載荷處理；機(jī)械和電氣設(shè)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(chē)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(chǎn)生的重力?？紤]起升載荷動(dòng)載效應(yīng)，應(yīng)乘以起升沖擊系數(shù)φ1或起升動(dòng)載系數(shù)φ2。

 

    ①起升載荷動(dòng)載系數(shù)φ2的計(jì)算

 

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    式中：c——物體離地速度系數(shù)，吊鉤作業(yè)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起升載荷沖擊系數(shù)φ1的計(jì)算

 

    當(dāng)物體離地起升時(shí)，對(duì)上小車(chē)本身將產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)，小車(chē)架自身重量受到起升沖擊而出現(xiàn)的動(dòng)力增長(zhǎng)，用起升沖擊系數(shù)φ1乘以小車(chē)架自身質(zhì)量的重力來(lái)考慮。

 

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    起升載荷分為2部分，一部分作用在起升卷筒上，另一部分通過(guò)定滑輪組作用在定滑輪組支承板上，載荷的分配比例與起升機(jī)構(gòu)的速比有關(guān)。卷筒所承受的起升載荷通過(guò)減速器及另一端的支承以均布載荷的形式，作用在縱梁腹板的正上方。動(dòng)滑輪組處的載荷為集中載荷，實(shí)際結(jié)構(gòu)定滑輪組支承板要局部加厚，因此建立殼單元模型時(shí)，此處是一厚板，中間開(kāi)孔，安裝定滑輪軸。作用在此處的部分起升載荷按分布力處理，均勻作用在圓孔的下半部分，分布力方向沿半徑方向：

 

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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(jī)構(gòu)倍率。

 

    由于分布力沿徑向方向，其合力為起升載荷的一半，實(shí)際徑向力要放大π/2倍。

 

    (3)水平慣性載荷

 

    小車(chē)運(yùn)行起制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一定的加速度，小車(chē)受到慣性力的作用，該慣性力沿水平方向作用在小車(chē)各組成部分及重物上。本機(jī)起制動(dòng)加速度取為0.2328m/s2，考慮上小車(chē)驅(qū)動(dòng)力突變時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)載效應(yīng)，施加載荷時(shí)，該加速度放大φ5=1.5倍。這些慣性力都作用在相應(yīng)的質(zhì)量上，撓性懸掛的起升荷重按作用于起重機(jī)剛性連接同等對(duì)待。ANSYS建模時(shí)，小車(chē)架慣性力為均布體積力，作用在起升機(jī)構(gòu)及重物的慣性力要先行計(jì)算，然后根據(jù)起升機(jī)構(gòu)與小車(chē)架的接觸面積算出均布力，作為面載荷施加在模型上。小車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平慣性載荷為

 

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    因此，PH=1.5×312×0.2328=1089.5KN

 

    (4)運(yùn)行產(chǎn)生的沖擊載荷

 

    上小車(chē)在運(yùn)行時(shí)由于軌道接頭間隙或高低差會(huì)使運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量在鉛垂方向產(chǎn)生沖擊作用。用運(yùn)行沖擊系數(shù)φ4乘以自重載荷G和起升載荷Q來(lái)考慮。

 

    對(duì)有軌運(yùn)行起重機(jī)可根據(jù)實(shí)際情況按下列方法確定：

 

    ①對(duì)于軌道接頭保持保持良好狀態(tài)的上小車(chē)，如軌道用焊接連接，并對(duì)接頭進(jìn)行打磨光滑的高速起重機(jī)，取φ4=1。

 

    ②對(duì)于雖未采用焊接連接，但軌道接頭質(zhì)量符合GB/T10183的起重機(jī)，取φ4=1。

 

    ③對(duì)一般軌道接頭情況，根據(jù)運(yùn)行速度和軌道高低差按下式計(jì)算：

 

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    式中：Vy——運(yùn)行速度；

 

    h——軌道接頭處兩軌面的高度差，mm。

 

    (5)偏斜運(yùn)行時(shí)水平側(cè)向載荷Ps

 

    偏斜運(yùn)行時(shí)的水平側(cè)向載荷：

 

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    式中：λ——水平側(cè)向載荷系數(shù)，與軌距L和基距B的比值有關(guān)，λ=0.1；

 

    ∑P——上小車(chē)產(chǎn)生側(cè)向載荷一側(cè)經(jīng)常出現(xiàn)的最大運(yùn)行輪壓之和，∑P=1560KN；

 

    根據(jù)以上分析，分別以空載和滿(mǎn)載加載，然后應(yīng)用試湊法計(jì)算出上小車(chē)的吊重差和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形值及結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。

 

    5靜態(tài)計(jì)算結(jié)果

 

    應(yīng)用Ansys軟件對(duì)建立有限元模型，并施加約束和載荷后的上小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算，并應(yīng)軟件的后處理功能對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

 

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    圖4空載工況下小車(chē)架的下?lián)现?/div>