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起重机箱形梁结构形式的优化研究

2020-09-08 380 上传者：管理员

摘要：起重机箱形梁结构在承受较大载荷时会产生下挠变形等现象，为改善箱形梁的结构刚性，本文分析了起重机箱形主梁的结构，对比了不同梁结构的特点，并以通用桥式起重机的箱型结构为例，进行了主梁参数选择和强度计算。进而分析了影响起重机箱形梁结构变形的相关因素，并提出了改进方法，设计了起重机箱形主梁腹板结构改进方案，为起重机箱形梁结构形式的改进提供理论依据和指导。

关键词：
主梁参数
刚度校核
强度计算
机械工业
箱形梁结构
起重机械
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起重机械在现代工业发展过程中充当了重要角色，尤其针对物流运输、海港矿山等需要搬运的工况，起重机显得尤为重要。传统的起重机械安全系数大、结构设计不合理等缺点，有必要加强设计方法和设计理念。箱形梁结构作为起重机械比较典型的零部件，因为其具有紧凑的结构、制造工艺简单、占地面积小等优点应用范围广，一直是被关注的对象。而实际过程会出现主梁下挠、焊缝开裂等现象，为提高其使用寿命需要进一步研究和改进。

1、起重机箱形主梁的结构

起重机的主梁结构通常采用箱型结构，在不同实际工况需求中，其具体的箱型结构也不同。适用于电葫芦小车的桥式起重机上的箱型结构可以使用偏轨箱型结构，其结构简单，节省材料，主要分为两种：窄翼缘箱型截面和宽翼缘箱型截面，由于需要保证机械设备具有良好的刚性，多采用宽翼缘箱型截面的箱型结构，使得结构在水平、竖直、扭转多种自由度上的变形很小。为了适应大型起重机械，将宽翼缘偏轨箱型结构进行拓展和改进，得到目前普遍适用的偏轨空腹箱型结构，因为其独有的在腹板上挖孔的特点，使得箱体的装配变得简单，还有良好的通风环境。箱型单主梁机构可用于L型龙门起重机上，其也是由宽翼缘箱型改进而来，将两根主梁减少到一根，腹板个数由四个降低到两个，简化了自身结构。而通用大型桥式起重机均采用空腹衍架式结构，其主要由工字梁及衍架构成，大大减轻了自身的重量，而且其刚度大，同样制造工艺简单，便于维修，使用范围广。至于四衍架式机构、三角形衍架式结构和单腹板开式结构都具有不同的缺陷，目前，所能应用的场所很少，产量也很少。综上所示，箱型结构适用性广，通用性强，而且其便于制造，是目前机械行业普遍采用的起重机结构，如图1所示，中小起重机系列中的箱型主梁典型结构。

2、起重机箱形结构选型及校正

以通用桥式起重机的箱形结构为例，分析主梁构成，并按照规定的要求，选择上、下翼缘板和两块腹板。

图1箱形主梁典型结构示意图

2.1主梁参数的选择

主梁的高度与主梁的跨度之比可以由h/L表示，此比值通常合理选择。而主梁的两个腹板间距与主梁的跨度之比可用下式表示

公式1

式中，b0为主梁的两个腹板间距；L为主梁的跨度。为了满足实际工作的需要以及规定标准，上翼缘板厚度和主梁的两块腹板中心线之间的距离有如下关系

公式2

式中，δ1为上翼缘板厚度；b1为主梁的两块腹板中心线之间的距离。

2.2主梁结构强度的计算

起重机的强度和刚度是保证起重机械设备正常工作的前提，而起重机的梁结构是主要受力部件，需着重关注，因为在起重过程中，主梁会发生下沉的现象，这是因为主梁的残余应力分布不均，加上外界的影响因素，甚至主梁会发生二次下沉，严重时，主梁会发生变形。因此，在对主梁结构进行设计时，需要对其结构进行强度和刚度的相关计算，以确保结构的稳定性，本文采用第Ⅱ类载荷组合对起重机箱型梁结构开展强度计算。

(1）起重机箱型梁结构的弯曲应力。起重机箱型梁结构的主梁可以简化成简支梁，其结构如图2所示，左右两端底座作为支撑，当主梁受到活动载荷时，其最大弯矩的截面位置可由下式表示

公式3

式中，P1、P2为计算轮压。则主梁的最大弯矩表示为

表达式1

图2主梁的扭矩弯矩受力图

(2）起重机箱型梁结构的上翼缘板局部弯曲应力。起重机箱型梁上翼缘板因为受到计算轮压的作用，会在主梁的产生弯曲正应力，其表达式为

表达式2

式中，σz为主梁纵向产生的局部弯曲正应力；σx为主梁横向产生的局部弯曲正应力；k1、k2、k3为常系数；N为上翼缘板承受的部分计算轮压；I为惯性矩；δ为上翼缘板厚度；P为计算轮压；a1为加劲板的间距。

(3）起重机箱型梁结构的稳定性。箱型梁结构具有其独特的箱型截面梁，在考虑结构稳定时，视为稳定的。

3、起重机箱形梁结构形式的改进

3.1起重机箱形梁结构变形影响及改进

首先，考虑起重机箱形梁结构变形对小车运行的影响，主梁变形会产生下挠现象，其产生的爬坡阻力增加了小车运行阻力，影响机械设备的使用寿命，下挠越大，对小车的使用寿命减少的影响越大，严重时，可能对小车运行结构造成损坏。而且小车制动打滑的现象也是由主梁下挠相对较大时引起的。主梁下挠不仅影响小车的运行，对于大车运行所产生的负面影响较为更加严重，下挠带来的传动结构下沉，造成传动轴弯曲，甚至联轴器齿部会发生折断或连接螺栓断裂的现象等。而对于小车架和小车轮的影响主要体现在主梁下挠能够导致主梁水平旁弯，会造成小车夹轨或脱轨。传统的箱型梁结构是腹板与上盖板进行双面角焊缝或者取消箱形梁内腔角焊缝，但是，会出现焊接工序复杂、焊接工艺差、焊缝强度低等问题，因此，针对起重机的箱形梁结构需要进行相应的改进。箱型梁结构改进的方法为利用双面角焊缝将腹板、隔板和盖板进行组合焊接，并且内腔使用焊接专用的钢材。上盖板设一个翼缘，靠小车轨道一侧，而下盖板则不采用翼缘。为了提高结构的承载能力，采用45°焊接方法连接主腹板的方钢与上盖板，同时，需要保证良好的焊接工艺性，较强的焊缝承载能力，以此设计满足需求的箱型梁结构。

3.2起重机箱形主梁腹板结构的改进

为了提高起重机的使用性能，降低起重机设备的重量，对主梁腹板结构进行改进和设计。需要考虑的是，将平直腹板替换成波形腹板，减少腹板的厚度和筋板的数量，虽然提高了垂直方向的稳定性，但是，腹板的抗扭刚度和水平刚度会有明显的下降，因此，需要合理地设计腹板的配置方案。

当腹板都使用波形腹板，二者的布置方向可以分为两种，一种是同向，另一种是反向。当两个波形腹板同向时，如图3所示，会造成波形腹板的抗扭刚度和水平刚度下降，这是因为二者之间存在相位差，引起了结构的不平衡。尤其是受到相对比较大的冲击力时，其结构会承受不住而产生变形，最典型的例子就是大车运行的制动过程。当两个波形腹板反向时，虽然两个腹板间的距离是改变的，但是，从图4可以明显地看出，这种结构会导致腹板的水平刚度分布不均匀，可能会引起变形不均匀，进而降低机械结构的整体刚度。因此，上述两种方案缺点明显，不适采用。当采用平直腹板和波形腹板综合使用，如图5所示，可以得到较好的水平方向刚度和垂直方向刚度，这种方案不仅考虑了平直腹板和波形腹板使用的优缺点，也满足了实际结构的刚度需求，是一种合理的布置方案。

图5平直腹板和波形腹板

4、结语

起重机箱形梁结构在起重机械的承载过程中起到了至关重要的作用，以实际工况需求为基础，考虑箱形梁结构的刚性问题，探讨了箱形梁结构的强度问题及引发其变形的因素，并对箱形梁结构及主梁腹板结构的改进进行了方案设计，并选择了合适的改进方案，为起重机箱形梁结构形式的改进提供了参考。

参考文献：

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姚行杰.探究起重机箱形梁结构形式的改进[J].中国设备工程,2020(17):131-132.