桥式起重机主梁有限元分析
!""#$"! !上半月刊" "#!!!
桥式起重机主梁有限元分析
罗!辉!，易海鹏"，罗会信"
（%$ 武汉钢铁股份有限公司，湖北!武汉!&+""G%；!$ 武汉科技大学!机械自动化学院，湖北!武汉!&+""G%）
!摘要"以武钢冷轧厂"号起重机为对象#借助大型有限元软件 ;2)Q)#对该起重机大车运行机构处
下盖板裂纹产生的机理进行有限元分析#从起重机主梁在受载条件下的应力分析与模态分析入手#找出了
运行机构处下盖板裂纹产生的原因$
!关键词"起重机%裂纹%;2)Q)%模态分析
!中图分类号",:!%’!! !文献标识码".!! !文章编号"%""%/’’&0#!""#$"!/""F#/"+
G-*)356#’,".&’3’35%(.(3B&#""-*B1.$2*,13’*2.1$*1B3(*$&’CHI
?1C :D>#Q@:4>/[78B#?1C :D>/b>8
冶金用桥式起重机工作频繁#经常满载甚至超
负荷工作#运行速度高#工作环境恶劣 !高温&多
尘"#在运行过程中 存 在 频 繁 的 启 动 和 制 动 操 作#
另外还承受轨道不平&操 作 不 当 等 引 起 的 冲 击 载
荷#会使起重机主梁产生明显的振动#因此起重机
动态性能的计算对起重机的安全强度设计有着重大
意义$一般来说静力分析是动力分析的基础#有时
候静力分析甚至更能直观明了地反映问题$所以#
本文首先运用静力学分析的方法研究起重机工作载
荷对大车运行机构处下盖板裂纹形成的影响#再通
过动力学分析寻找裂纹形成的机理$
8!冷轧J号起重机的故障现状
武钢冷轧厂"号起重机是!"世纪-"年代投入
使用的额定起重量为&"O的桥式起重机#主要承担
冷轧卷的 吊装 工作$每 年 的 搬 运 量 大 约 为 %"" 万
O#是该厂任务较重的起重机之一$
该起重 机 的 工 作 级 别 是 ;# 级#主 梁 材 料 是
=!+’#跨 距 !!T#宽 翼 缘 式 主 梁#全 偏 轨 结 构#
主梁截面尺 寸如 图 % 所 示$投 入 运 行 近 %" 年 来#
由于繁重的工作任务 和 结 构 上 的 缺 陷#故 障 率 较
高#在运行大约 + 年 后 性 能 急 剧 下 降#仅 能 吊 装
%"O左右的物品$随着冷轧厂产量的提高#修复该
起重机非常必要$
该起重机的主要故障表现为’
!%"主梁司机室端大车处下盖板靠近副腹板侧
%$ 上盖板!!$ 主腹板!+$ 副腹板!&$ 底板
图8!主梁截面图
开裂#可见长度约为&’TT#如图!所示$
!!"主梁非司机室运行机构底座处下盖板靠近
主腹板处有一裂纹# 约为 %"J& TT#如图 + 所
示$
裂纹是 起 重 机 安 全 的 大 敌#必 须 予 以 高 度 重
视#若不及时处理#随着裂纹的不断扩展#轻者造
成停驶或报废#重者有可能造成重大的安全事故$
"号起重机下盖板的裂纹#是造成该起重机停驶的
主要因素#也是本文研究的重点$
!收稿日期""##$%#&%""
!通讯地址"易海鹏，武汉市青山区建设一路武汉科技大学
’-号信箱
"$!!! !""#$"! !上半月刊"
图9!下盖板靠近副腹板侧裂纹示意图
图:!下盖板靠近主腹板处裂纹示意图
9!有限元模型的建立
9<8!主梁的结构特点
主梁在起重机工作过程中直接承受工作载荷#
要求有较高的强度#同时跨距比较大#工作时要求
有较好的稳定性#这就要求具有较好刚度#而自重
则尽可能地小#所以起重机主梁一般都设计成桁架
式或箱形结构$"号起重机主梁是一个典型的箱形
结构#相对于其截面的高度和宽度#板厚较小#因
而可作为薄壁结构来进行分析$
9<9!模型的建立方法
在 ;2)Q)中建立主梁的有限元模型#运用自
底向上的建模方法#采用空间板壳 ):‘??F+单元
建模$为便于大车运行机构对主梁静强度和动力学
分析#建模时予以简化#以加载的方式将其自重载荷
加载到底座上$在进行网格划分时采用指定单元尺寸
的自由网格的方法$主梁有限元模型见图&所示$
9<:!约束和载荷的施加
施加的约束条件与工程实际是否吻合将直接影
图;!主梁有限元模型
响分析结果的正确性%%&$起重机主梁为简支梁#一
端仅释放主梁在铅垂平面内的旋转自由度#另一端
释放在铅垂平面内的旋转和沿主梁横向移动!个自
由度$在加载时考虑最恶劣工况#小车处在主梁的
正中进行满载吊重$
:!静力分析结果
强度是起重机主梁结构机械性能的一项重要指
标#是评判其性能的主要依据之一#是在研究起重
机主梁裂纹时必须考虑的问题$分析结果如图’’
F所示$
图=!主梁主应力分布图
图>!主梁变形位移分布图
!""#$"! !上半月刊" "%!!!
综合测试和 ;2)Q)计算结果#各部位测试及
计算应力值见表%所示$
表8!主梁应力值
位置 实测值%(*4 计算值%(*4 误差%e
跨中 +G$+ +G$&" "$!F
跨端 ’%$’ ’F$’G G$-#
综上分析#并结合测试结果可知&
!%"分析结 果 与 实 测 应 力 值 相 吻 合#说 明 建
模’加载等分析过程正确$
!!"根据文献 (!)#"号起重机在满载处于跨
中时#在铅垂面变形许用值为!!TT#计
算结果为 G$%TT#所 以#主 梁 静 刚 度 合
格$
!+"主梁在工作载荷条件下#跨中和跨端截面
应力均小于许用应力#说明整体机械强度
较好#裂纹是由局部缺陷造成的#该起重
机具有修复的价值$
主梁工作载荷对运行机构处下盖板应力影响不
大#由运行 机 构 自 重 载 荷 引 起 的 应 力 最 大 值 为
-’$&- (*4#小于许用应力#也不是产生裂纹的根
本原因#但有应力集中现象$
;!模态分析结果
由于振动的原因#大车运行机构对下盖板 *施
加+了冲击载荷#使下盖板除承受静载荷外还承受
动载荷的作用#此时#虽然下盖板静强度合格#但
能否足以承受因振动产生的动载荷的作用#必须进
行模态分析$
主梁的前’阶频率见表!所示#限于篇幅#仅
给出典型的振型图$由于司机室侧与非司机室侧运
行机构处下盖板局部振型是对称或反对称的#故仅
给出司机室侧下盖板第%’!’&阶振型#见图##
图-所示$
表9!主梁各阶频率表 KL
阶数 % ! + & ’
频率 G$’! G$FG %!$#G %+$+" %+$+’
主梁司机室端大车处下盖板处固有频率低#而
各阶模态共振主要发生在大车运行机构处下盖板位
置,从下盖板的振型图看#其振动变形主要都处于
图?!第一阶模态
图F!第二阶模态
图M!第四阶模态
靠近底座部分$说明由于运行机构的作用#该位置
是最容易因振动而产生变形的部位#在发生振动时
是最 *薄弱+的 环 节$该 处 在 工 作 时 最 容 易 被 激
振#由于振动产生的交变应力的作用#易导致产生
疲劳裂纹(+)$
=!改进措施
通过上述分析#改进措施从两方面入手#一是
!下转第?:页"
!""#$"! !上半月刊" !%!!!
量的计算就可以完成 故 障 诊 断#故 障 诊 断 中 神 经
网络所采用的模型大多为 -(模型$这主要是由于
对 -(模型的研究比较成熟$使用比较可靠#
图9!摊铺机智能故障诊断子系统
8!结论
本文 提 出 的 工 程 机 械 远 程 监 诊 系 统 是 针 对
E(F%!/沥青摊铺机设计的$通过大量的调研确定
了软硬件支撑平台$对 该 方 案 在 实 际 摊 铺 机 故 障
诊断领域中进行了试验探讨#采用嵌入式操作系统
作为运行平台$能够 满 足 远 程 监 诊 系 统 所 要 求 的
高处理能力以及多 数 据 容 量$并 且 适 合 于 工 程 机
械特殊的工作环境%结合 F45 总线通讯技术$使
系统的可扩展性有 了 很 大 的 提 高%根 据 摊 铺 机 故
障的特点$提出了传 统 专 家 系 统 与 人 工 神 经 网 络
技术相结合的诊断方案#
!参考文献"
&%’郑尚龙$牛占文$ 基于 ’*9(’()*的工程机械机群状
态监测与故障诊断系统 !上" &>’$ 工程机械$!""&$
!,")AB%"$
&!’于槐 三$ 摊 铺 机 的 技 术 现 状 与 展 望 &>’$ 建 筑 机 械$
!""/$!!")!0B!#$
&&’谢志江$朱明星$胡应鹏$ 基于 C*(及 ’()*的移动
设备 故 障 诊 断 监 控 系 统 &>’$ 机 械 与 电 子$!""/$
!%%")&%B&&$
&0’(7WQ7PD$>KQXSI>$+<7U=YTKP7Q8:P7;QXP7ZQ=XZU=:.
SPQKUP8=: TQ=[7UP &>’$4KP=YXP8=: 8: F=:SPQKU.
P8=:$!"""$!G")00#B0A%$
&/’吴今培$肖健华$ 智能故障诊断与专家系统 &9’$ 北
京)科学出版社$%GG#$
!责任编辑#马俊
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
"
$上接第>?页%
对大车行走 机 构 处 下 盖 板 补 强$以 提 高 强 度%二
是在大车行走机构 处 下 盖 板 位 置 加 筋 板$以 提 高
刚度$增加其抗 冲 击 的 能 力#补 强 的 具 体 方 案 是
在大车行走机构处原下盖板 上 加 焊 一 块 %!YY 厚
的钢板$如图%"所示#
图5@!下盖板加强板
武钢冷轧厂"号起重机经整改后运行一年多的
实际运行效果看$在 运 行 机 构 底 座 处 下 盖 板 上 未
再发现裂纹$振动也明显减轻#
主梁司机 室 端 大 车 运 行 机 构 处 下 盖 板 静 强 度
合格$动态特性不满足工作要求#固有频率过低$
不能有效避 开 工 作 载 荷 频 率$易 产 生 共 振$这 是
导致下盖板处裂纹产生的主要原因#
!参考文献"
&%’马宵$ 利 用 45*2* 分 析 悬 臂 起 重 机 金 属 结 构 的 应 力
&>’$ 起重运输机械$!""0$!/"$
&!’郭建生$余红飞$ CJ\!/4轮胎式起重机底架结构开裂
成因的应力分析 &>’$ 港口装卸$!"""$!A")%"B%!$
&&’彭培英$王立彬$ 工程机械金属结构疲劳可靠 性 分 析
的响应面法 &>’$ 机械$!""0$!&%"$
!责任编辑#马!俊"
桥式起重机主梁有限元分析.pdf
