龙门式起重机的计算机优化设计

龙门式起重机的计算机优化设计

陈玉莲

(河北省电力建设第二工程公司河北石家庄054000)

摘要：传统的10t龙门吊车设计，沿用许用应力计算法。这种方法使用起来比较简单，但是缺点是对于不同用途，不同工作性质（受力情况）的结构采用同一的安全系数，而且安全系数往往偏大或过低。因而按许用应力法设计的起重机结构，或多消耗材料，或安全程度较低，对于电力建设行业已经不适用。

本文结合以往的起重机设计研究经验，对原有的普通10吨龙门式起重机结构加以改进，吊车金属结构计算，引用按材料的极限状态的计算方法，考虑了载荷的作用性质，钢材的强度性能及结构的工作特点等因素，并随结构不同的工作情况采用不同的安全系数，采用通用计算机软件STAADPRO，进行结构计算和校核，并进行自动优化处理，使结构和用料达到最佳合理状态。结果表明，通过优化设计，自重明显减轻，动态性能有了显著提高，验证了本文所采用的方法的有效性。

关键词：龙门式起重机；结构分析；优化设计

传统的10t龙门吊车的金属结构常采用H型钢和角钢桁架栓焊结构，具有自身重量和迎风面积大、焊接结构，安装拆卸不便，拆卸过程中造成部分结构切割破坏，降低使用寿命。

由于电厂建设工期越来越短，龙门吊因施工转场经常需拆卸和安装，制造适用于公司施工特点、设计新型的10t龙门吊的课题被提出。为此，我们采用新的设计方法和选用选用热轧无缝钢管替换型钢，从而设计出一种自重轻、性能好、外形美观、拆卸安装运输方便的10t龙门吊车，并使之具有良好的研发价值和广阔的市场前景。

一、设计思路确定：

1.设计基本要求：安拆简便、易于转场、运行可靠、降低成本。

2.吊车的设计参数

起重量10t,跨距27m,悬臂长度4.5m,起升高度10m,起升速度0-5m/min,大车运行速度0-21.4m/min,小车运行速度22m/min.

二、初选材料阶段

通过查阅资料，借鉴大吨位管式起重设备的设计理念，初步确定吊车各部分的结构型式，并对各杆件的材质、规格、联接形式进行初选。

三、建模、力学分析、结点设计阶段

1）建模

根据确定的参数和吊车各部分的结构型式和初步选择的各杆件的材质、规格、联接形式，在MADAS上建立实体模型。

2）力学分析、结点设计

建立模型后，针对模型中各杆件、连接节点逐一进行力学分析和结构计算，对于计算后不符合要求的杆件，反复调整、改进直至整机所有杆件全部达到要求后，再按规范进行校核。

a.荷载计算

考虑到吊车主要针对电站使用，且经常起升额定荷载，即起升较重的荷载，所以荷载状态取Q3－重，，工作级别为A3。

荷载计算：作用在龙门起重机上的外荷载有：额定荷载（或称起重量荷载）、自重荷载，不稳定运动时的动力荷载、风荷载、冲击荷载、车轮侧向荷载、碰撞荷载、地震荷载和冰雪荷载等。根据我国的实际情况，地震荷载和冰雪荷载可不予考虑。

(1)自重荷载,机构的振动、轨道面以及轨道接头处的高低不平和缝隙等，都将会引起振动和冲击荷载。由于大车速度为22m/min，所以取φ1=1.0。

(2)额定荷载额定荷载为10t，考虑驱动类型为电动且为中型起重机，动力因素取

(6)在没有终点开关或终点开关失灵时，作用于缓冲器上的碰撞载荷为：

b.荷载组合

作用在吊车上的荷载分为基本荷载，附加荷载与特殊荷载三类。为了满足设计要求及设计规范，选取对计算结构最不利的组合方式。

(1)起升质量离地起升或下降制动，小车处于运行起、制动状态时，考虑非工作状态的风载作用，则：LOAD1=

(2)空载时大车运行起、制动，并经过轨道接头：LOAD2=

(3)最坏工况组合，有风的情况下大车满载行动制动，并经过轨道接头。

LOAD2=

c.受力分析及设计

运用有限元分析软件分析，经过反复调整、改进直至整机所有杆件全部通过后得到如下设计分析结果。

从分析的吊车各项参数及1～4图上可得，本吊车模型各杆件的强度和刚度，各方向上的整体变形、挠度等均满足起重机械规范的要求，而且材料用量达到最优。

3）吊车连接节点设计

考虑到吊车的拆装和运输，将吊车的主梁27m分成7段，中间段为6m和3m，各段在生产时所有杆件均采用焊接成型，段与段之间采用法兰连接，支退与主梁的连接也均采用法兰连接，法兰之间采用高强螺栓拴接，因此吊车在安装拆卸过程中不需再动用火焰切割或焊接，与传统的焊接结构相比，该形式不但更便于拆装与运输，而且使用寿命不受拆装影响。

通过整体计算得出杆件的内力，然后再根据杆件节点端的内力和力矩，对各节点逐一进行设计计算，逐一选择、校核节点的结构和高强螺栓的型号，使各个节点达到了最优工况。

建模、力学分析、节点设计全部完成后，立即送交了哈尔滨工业大学，请著名专家——机械系副院长陆念力教授带领的课题组进行了第三方校核，经校核，全部杆件和节点全部达到标准要求。

设计完成后，公司立即组织生产并进行试制及相关检试验。经检验整体稳定性满足要求，传动平稳可靠，满足110％动负荷和125％静负荷要求，应力测试达到设计要求。

新型管式10t龙门吊运用了新型的设计方法结合软件设计出的新型无缝焊接钢管的桁架结构，具有制作简单，自重轻，结构简单紧凑，传动更加平稳，迎风面积小，安拆方便，费用低，以及简洁美观的优点。由于使用火焰切割容易造成型钢应力改变，降低设备使用寿命，甚至使部分结构因应力改变较大而报废。现在不使用切割方法，对设备无损伤，一定程度上提高了使用寿命。

此吊车现以生产，检验，并投入使用，其各项性能均满足要求。在设计生产过程中，业已有许多客户与我们进行了联系，并提前进行了预定，实现了科技向市场转化的过程。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准，起重机设计规范，中国标准出版社，2008-10-1

[2]成大先，机械设计手册单行本，化学工业出版社，2004-1-1