船龍門(mén)起重機(jī)車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元分析-有限元培訓(xùn)

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

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。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。
童輝
關(guān)鍵字:小車(chē)架有限元

1 引言

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)。

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)

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:

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。

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

(1)

    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

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。

(2)

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:

(3)

    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

(4)

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/T 10183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:

(5)

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:

(6)

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。

圖4 空載工況下小車(chē)架的下?lián)现?/P>

圖5a 平行于小車(chē)軌道方向的變形圖5b 垂直于小車(chē)軌道方向的變形

圖5c 垂直方向上的變形圖5d 垂直于大車(chē)軌道方向轉(zhuǎn)角

圖5 上小車(chē)結(jié)構(gòu)位移云圖

圖6a 上小車(chē)Von-stress應(yīng)力云圖圖6b 最大應(yīng)力局部云圖

圖7a 平行于小車(chē)軌道方向的變形圖7b 垂直于小車(chē)軌道方向的變形

圖7c 上小車(chē)Von-stress應(yīng)力云圖圖7d 上小車(chē)Von-stress應(yīng)力云圖

圖7 上小車(chē)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表5-1 上小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)各工況計(jì)算結(jié)果匯總

計(jì)算結(jié)果表明小車(chē)架較大變形處位于連接定滑輪組支承板的兩橫梁中間位置和小車(chē)架支座法蘭處,其豎向變形為fmax=1.319mm<4.1mm,該處最大應(yīng)力為σmax=132.097MPa<259MPa,除平衡梁與小車(chē)架的連接區(qū)域外,小車(chē)架其余各部分應(yīng)力變形皆小于此位置。由于應(yīng)力集中的存在,平衡梁與小車(chē)架的連接處應(yīng)力值達(dá)到54.14Mpa,此處筋板厚度為16mm,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)。建立起重機(jī)小車(chē)架的殼單元模型、施加載荷和約束要根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)作適當(dāng)處理,才能使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

從圖5上小車(chē)結(jié)構(gòu)位移云圖、圖7上小車(chē)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖,結(jié)合小車(chē)架剛度條件,歸結(jié)為:

(1) 小車(chē)架剛度裕度比較大,按照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-83規(guī)定為f0=L/2000=4.1mm。

(2) 在所測(cè)定的梁中,剛度稍差的梁為跨中橫梁,下?lián)现禐?.319mm。

參考文獻(xiàn)

[1] 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范.GB3911-1983.
[2] 大連起重機(jī)器廠.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧人民出版社,1980.
[3] 王金諾,于蘭峰.起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2002.

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