桥式起重机主梁腹板结构的优化与改进

摘要:物流在现代工业快速发展的过程中起到了很关键的作用,物料搬运直接影响着着现代工业效率。起重机作为物料搬运的主要设备之一,在飞速发展的工业时代起到了特别关键的作用,起重机的研究和更完善的改进可以更好的提高对我国物流业的发展。对于西方发达的起重机行业来说,我国的起重机行业近几年以来已经明显很落后,如今世界先进工业化国家已经广泛采用起重机的现代设计方法如有限元设计、优化设计等方法来设计起重机,我们国家还是在使用传统的设计方法,因此设计的起重机安全系数大、消耗原材料多、结构不及合理、效率较低。对我国起重机行业来说加强对起重机的现代设计方法的研究和应用,不断加强对起重机新型结构的大胆探索和创新研究具有很重要的理论意义和实际意义。我国广泛应用于机械、冶金、运输等行业的桥式起重机占了我国起重机的40%左右,在我国应用起重机的行业中,最广泛采用的是桥式起重机,由于它的通用化程度比较高,是别的起重机所不可比拟的,本文将对桥式起重机主梁腹板结构的优化和改进做一研究。

关键词:桥式起重机 主梁腹板 结构 1 桥式起重机概况 1.1 概念

桥式起重机是起重机的一个主要的类型,在所有应用于室内的起

重机中,桥式起重机的数量占了90%,它主要应用于生产车间,高空作业的作业范围包括整个厂房,大受用户的欢迎。

1.2 分类

不同场合使用的桥式起重机类型也不同,主要包括电动单梁桥式起重机、电动双梁桥式起重机、单主梁桥式起重机和电葫芦双梁桥式起重机,我们将对使用范围最广,结构最典型的电动双梁桥式起重机主梁腹板的结构及其优化做一探讨。

1.3 结构

桥架是桥式起重机的主要金属结构部分,重量是起重机自身重量的60%及其以上,它是横架在车间两侧吊车梁的轨道上的,运行轨迹是沿着轨道的,目前市场上出现的桥式起重机都采用的是实腹式箱结构型结构桥架,采取合理的桥架不但可以节约起重机造价成本,节约钢材,而且还减轻了厂房建筑结构的受载而节省基建费用,桥式起重机的结构还包括小车以及小车上装有的起升和运行机构等等。

2 对箱形主梁腹板结构的研究 2.1 箱型主梁腹板结构的改进

要提高起重机的性能和减轻自重,设计新型的桥架结构是一个重

要的途径,被国内外很多研究和制造部门所重视,新型的桥架结构主要包括偏轨单主梁桥架,空腹析架结构和波形腹板结构,本文主要是对波形腹板结构做一研究,波形腹板就是将原本箱型梁中的直板腹板改造成为具有一定规律变化的波形,从而增加腹板的承载面积。(如图1图2)

2.2 理论基础

箱型梁腹板主要受的是平面压力和弯矩载荷的作用,其中平面压力的作用最大,材料力学中压根稳定性公式为:

从式中我们可以知道,腹板的截面惯性矩I是决定腹板的承压能力的主要因素,在同样的面积下,曲面腹板比平直腹板具有更好地承压能力。

波形腹板截面惯性矩I的计算公式如下:

式中的t是指腹板的厚度,而平直腹板截面惯性矩I的计算公式是:

式中的b是指腹板的长度,h指腹板的厚度。

波形腹板截面惯性矩I的计算用图表示如下。(如图3)

我们将波形腹板的截面惯性矩公式和平直腹板的截面惯性矩公式做一个比较就可以发现波形腹板公式中的y2要比平直腹板中的y2数值很大,因此波形腹板的截面惯性矩也比平直腹板的大很多,受荷载的情况也肯定好。

3 对波形腹板的配置方案进行比较

当我们将桥架的普通平直腹板改成波形腹板之后,腹板在垂直方向的稳定性有了显著的增加,这样我们就可以将腹板的厚度和筋板的数量都相应的减少,但是缺点在于波形腹板的抗扭刚度和水平刚度也会变小,成为薄弱环节,如何合理的配置两个腹板是我们首先要解决的问题,下面我们会对几种方案进行比较。

3.1 两个腹板都采用波形腹板

如果两个腹板都采用波形腹板,配置的第一种情况是:同向布置,如图4:

当采用同向布置方案时,两个腹板之间存在相位差,但是无论相位差是大是小,这种布置方案的缺点都很大,波形腹板本身的抗扭刚度和水平刚度都很差,大车运行的制动过程中桥式起重机会在水平方向产生比较大的冲击力,这种方法使得桥架主梁zhe的水平刚度较低,这样

一来导致桥架的水平方向会产生变形,在其中既的设计和工作中这种情况都是不被允许的,因此,同向配置方案不可取。

第二种情况:反向布置,如图5:

采用反向布置方案时,两腹板之间的距离是不断变化的,这样腹板的水平刚度就不均匀,局部变化很大,会影响到整体刚度,因此,此方案也不能采用。

3.2 一个腹板仍为平直腹板另一个为波形腹板方案 如图6:

这种方案是将平直腹板和波形腹板各自的优势和劣势综合考虑进去并折中后的结果。由于平直腹板在水平方向的刚度要比波形腹板大,而垂直方向的刚度则比波形腹板小,采用这样的布置方案的话兼顾了两种腹板的优缺点,可以同时得到较好的水平和垂直方向刚度。因此这种方案是较为理想的方案。

3.3 两种腹板梁的有限元分析比较

由于比较复杂的平面力以及弯矩和剪力的共同作用于主梁的盖板和腹板,我们选择壳单元,这是由于壳单元适用于薄平板和曲面模型,而盖板和腹板也满足要求。本文中的波形为正弦曲线,在网格划分波形进腹板梁和平直腹板梁时要注意到上下盖板和左右腹板使用的是不同的单元属性。我们将波形腹板梁主腹板厚度和副腹板厚度分别拟

定为8mm、4mm,主梁的其余尺寸都按照普通的箱形梁。对其建立数学模型并进行加载和分析。(如表1表2)

通过分析结果我们可以知道,波形腹板梁和平直腹板梁的最大位移分别为0.026976m和0.024893m,为0.028125m,这两个数值都小于都小于主梁跨中挠度的允许值,平直腹板梁绕X轴的最大扭转角度为0.023665rad,波形腹板梁绕X轴的最大扭转角度为0.024346rad,我们得出可以扭转的角度数值很小,所以,这两种腹板梁的尺寸和结构都满足起重机对刚度的要求。但是相比之下,平直腹板梁的受力情况不如波形腹板梁的情况好,平直腹板梁要比波形腹板梁大,因此等效应力就小,所以平直腹板梁上各节点的应力值就要大得多,而且所得出的单元结果是将节点结果平均后所得的数值,平直腹板梁节点处的各项应力值要比波形腹板梁大,因此,平直腹板梁的受力情况不如波形腹板梁均匀。在平直腹板梁中,其相同节点处的每个相邻单元的内应力都发生了剧烈的变化,在动态载荷下,梁的这种情况是极为不利的。

4 结语

本文通过对桥式起重机原理和构造的分析,对桥式起重机波形腹板梁的改良提出了设想,把几种腹板配置方案进行相互对比,从而获得优秀的配置方案。就是一个腹板仍为平直腹板另一个为波形腹板方案。通过用AN-SYS软件进行有限元分析后,我们可以得知波形腹板梁要比平直腹板梁的受力情况好。当它们的载荷相同时,波形腹板所用的支撑轨道上的盖板、腹板以及短筋板的重量更轻,从而减轻了桥式起重机自身的重量,优化了结构。

参考文献

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