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门座起重机组合臂架变幅机构的仿真分析常亚坤 盛冬发 杨雪微西南林业大学 昆明 650224摘 要：为了得到良好的工作机动性，现代门座起重机大多采用摆动臂架式变幅，其中最典型的是四连杆组合臂架变幅机构。
文中运用ADAMS 仿真软件，对门座起重机四连杆组合臂架变幅机构进行三维建模以及运动仿真，并完成关于变幅运动过程的位移、速度和加速度曲线分析，较好地解决了门座起重机变幅轨迹问题，为门座起重机四连杆组合臂架系统的设计提供了重要的参考数据。
关键词：门座起重机；组合臂架；变幅机构；ADAMS；仿真中图分类号：TH213.4 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2022）15-0026-04Abstract: In order to obtain good maneuverability, most modern portal cranes adopt swing jib luffing mechanism, among which the most typical one is the four-bar combination jib luffing mechanism. In this paper, by using ADAMS simulation software, the three-dimensional modeling and motion simulation of the luffing mechanism of the portal crane’s four-bar combination jib are carried out, and the displacement, velocity and acceleration curves in the luffing process are analyzed, which solves the luffing trajectory of the portal crane well and provides important reference data for the design of the portal crane’s four-bar combination jib system.Keywords: portal crane; combined boom; luffing mechanism; ADAMS; simulation0 引言在门座起重机（以下简称门机）中，从取物装置中心线到起重机旋转中心线之间的距离称为起重机的幅度，起重机中用来改变振幅的机构称为变幅机构，利用变幅机构可以扩大起重机的作业范围。
钢丝绳变幅式单臂架门座起重机臂架结构优化设计陈梅林１㊀田颖辉２㊀刘㊀江１㊀纪石汉１１㊀武汉港博港机技术有限公司２㊀武汉开锐海洋起重技术有限公司㊀㊀摘㊀要:提出了一种单臂架结构优化设计方案ꎬ通过在臂架头部两侧增加悬臂梁结构ꎬ使臂架头部的滑轮能充分布置ꎮ这种臂架结构形式能显著减小起升钢丝绳绕入绕出滑轮的偏角ꎬ增加钢丝绳使用寿命ꎮ运用ＡＮＳＹＳ有限元软件对这种单臂架结构进行有限元计算分析ꎬ并经过实际使用ꎬ验证了这种单臂架优化设计的可行性ꎮ㊀㊀关键词:单臂架结构ꎻ有限元分析ꎻ优化设计ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＢｏｏｍＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＷｉｒｅＲｏｐｅＬｕｆｆｉｎｇｉｎＳｉｎｇｌｅＡｒｍＣｒａｎｅＣｈｅｎＭｅｉｌｉｎ１㊀ＴｉａｎＹｉｎｇｈｕｉ２㊀ＬｉｕＪｉａｎｇ１㊀ＪｉＳｈｉｈａｎ２１㊀ＷｕｈａｎＧｒｅｅｎｐｏｒｔＰｏｒｔＭａｃｈｉｎｅｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.２㊀ＷｕｈａｎＫ￣ｃｒａｎｅＯｃｅａｎＬｉｆｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.㊀㊀Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｓｉｎｇｌｅａｒｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｂｙａｄｄｉｎｇｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｓｏｎｂｏｔｈｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｂｏｏｍｈｅａｄꎬｔｈｅｐｕｌｌｅｙｏｆｔｈｅｂｏｏｍｈｅａｄｃａｎｂｅｆｕｌｌｙａｒｒａｎｇｅｄ.Ｔｈｅｄｅｃｌｉｎａｔｉｏｎｏｆｌｉｆｔｉｎｇｗｉｒｅｒｏｐｅｗｉｎｄｉｎｇｉｎｔｈｅｂｏｏｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｂｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｌｉｆｅｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅｃａｎｂｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ.ＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅＡＮＳＹＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｐｅｒｆｏｒｍｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｉｓｓｉｎｇｌｅｂｏｏｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｔｈｒｏｕｇｈｐｒａｃｔｉｃａｌｕｓｅꎬｔｈｅｕｔｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｂｏｏｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓａｌｓｏｖｅｒｉｆｉｅｄ.㊀㊀Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｉｎｇｌｅａｒｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓꎻｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ１㊀引言臂架式起重机具有灵活机动的特点ꎬ臂架结构在整台机械中占据的空间小而服务面积大ꎬ可满足各种不同的使用要求ꎮ臂架结构自重在臂架式起重机整机中占有很大比重ꎬ而过大的臂架自重是制约起重能力的主要因素ꎮ单臂架起重机中变幅㊁起升需要用到大量的钢丝绳ꎬ钢丝绳绕滑轮的偏角对钢丝绳的寿命有显著影响ꎬ因此钢丝绳的偏角控制极为重要ꎮ刘铁军等[１]从微观方面探讨臂架结构设计ꎬ对臂架结构局部应力优化进行了研究ꎮ张玉星等[２]对履带式起重机臂架自重进行了优化设计研究ꎬ但对钢丝绳偏角控制并没有提及ꎮ臂架结构是起重机最重要的结构件之一ꎬ臂架结构型式的选择及主要尺寸的确定不仅直接影响起重机的使用要求ꎬ还会影响起重机的整机性能ꎮ根据使用要求合理选择臂架型式和尺寸ꎬ是起重机金属结构设计的关键环节ꎮ２㊀传统鹰嘴单臂架钢丝绳变幅传统单臂架鹰嘴式结构头部结构型式见图１ꎬ变幅滑轮和起升导向滑轮在上部ꎬ起升倍率滑轮布置在臂架最前端ꎬ中间采用箱型连接ꎮ起升㊁变幅滑轮组分开布置在臂架头部ꎬ一方面臂架结构头部受力分散ꎬ头部箱型结构筋板密集ꎬ臂架头部重量较重ꎬ因造船门机的幅度较大ꎬ臂架头部重量直接影响整机的变幅力大小和整机的倾覆力矩[３￣４]ꎻ另一方面由于起升㊁变幅滑轮组布置距离较远ꎬ臂架头部梁宽度较窄ꎬ整个滑轮组布置紧凑ꎬ导致钢丝绳从人字架或立柱绕出经过臂架头部滑轮组时ꎬ偏角较大ꎬ往往能达到２ʎꎮ在后期维护保养方面ꎬ起升㊁变幅滑轮组分开布置存在一定的高度差(某船厂５５ｔ２１ＰｏｒｔＯｐｅｒａｔｉｏｎ㊀２０１８ Ｎｏ ４(ＳｅｒｉａｌＮｏ ２４１)造船门机高度差近４ｍ左右)ꎬ臂架搁置后需要增加扶梯和平台ꎬ才能到达变幅滑轮附近ꎬ操作难度大ꎬ效率低ꎮ图１㊀传统鹰嘴单臂架头部结构３㊀臂架结构优化设计为减轻臂架头部重量ꎬ减小钢丝绳偏角ꎬ改善维护保养不便的现状ꎬ提出了一种钢丝绳变幅式单臂架门座起重新型臂架结构ꎬ其具体型式见图２ꎮ起升滑轮组与变幅滑轮组轴在同一条直线上ꎬ臂架头部桁架收窄ꎮ为了使起升和变幅滑轮组能充分布置ꎬ在臂架头部箱梁前端处左右两侧各挑出一段悬臂梁ꎬ悬臂梁上布置有起升滑轮组和变幅滑轮组的耳板座ꎬ耳板座通过铰轴与滑轮组连ꎮ图２㊀优化设计后的单臂架头部结构㊀㊀臂架头部结构优化后ꎬ耳板是悬出来的ꎬ耳板下方有空间通过钢丝绳ꎬ起升钢丝绳从后方人字架或者立柱过来后ꎬ经过滑轮组可以直接与吊钩或者吊钩滑轮组连接ꎬ无需增加导向滑轮组ꎬ可以减轻臂架头部重量ꎻ同时由于起升滑轮组与变幅滑轮组轴在同一条直线上ꎬ不存在高度差ꎬ头部圆筒梁截面减小ꎬ也减轻了头部重量ꎬ对整机设计有利ꎮ由于臂架头部桁架收窄ꎬ因此可以适当增加悬臂梁的挑出长度ꎬ这样ꎬ起升㊁变幅绳从后方人字架或者立柱过来后绕滑轮组的偏角可以大大减小ꎬ甚至可以控制在１ʎ以内ꎬ这样就能极大地提高钢丝绳使用寿命ꎮ另外ꎬ起升变幅滑轮组集中在一条线上后ꎬ维修保养和检查也非常方便ꎮ传统鹰嘴单臂架结构与优化设计的单臂架结构的具体特性见表１ꎮ表１㊀臂架结构优化前后主要参数对比主要参数对比自重滑轮布置钢丝绳绕滑轮偏角钢丝绳寿命维修保养臂架头部尺寸/ｍｍ２传统鹰嘴式单臂架４８ｔ起升㊁变幅滑轮组布置距离较远ꎬ占用空间大能达到２ʎ短不方便３５３６ˑ５０６０优化后的单臂架４５ｔ起升㊁变化滑轮组布置在同一轴线上ꎬ占用空间小１ʎ长方便４１２０ˑ１２２０４㊀臂架结构优化设计实例某船厂５５ｔ单臂架造船门座起重机ꎬ其主要设计参数见表２ꎮ表２㊀某船厂５５ｔ造船门座起重机主要技术参数起重量/ｔ５５３５幅度/ｍ３６~７０３６~８０起升高度/ｍ轨面上:７２㊀轨面下:１１３１港口装卸㊀２０１８年第４期(总第２４１期)４.１㊀臂架结构受力分析通常在变幅平面内假定臂架为两端简支的简支梁[５￣６]ꎬ臂架在变幅平面内的受力见图３ꎮ臂架所受载荷主要有臂架自重Ｇꎬ起升绳拉力Ｓꎬ变幅绳拉力Ｓｂꎬ起升载荷Ｑꎬ吊钩及滑轮组重量Ｇ０和随工作幅度而异的最大起重量Ｑꎬ货物偏摆水平力Ｔ＝(Ｑ＋Ｇ０)ｔｇαꎬ风载荷Ｐｆꎬ臂架回转惯性力Ｐｇꎮ在结构计算时考虑起升动载系数作用ꎮ图３㊀变幅平面内臂架受力简图４.２㊀臂架结构强度校核根据臂架结构受力特点ꎬ对模型采取适当简化ꎬ忽略节点板与钢管的焊缝连接结构ꎬ不考虑臂架腹杆附加弯矩作用的影响ꎻ用起升载荷替代起升钢丝绳的作用ꎬ用杆单元ｌｉｎｋ８模拟变幅钢丝绳作用ꎻ不计臂架的制造误差和主弦杆㊁腹杆㊁钢板的厚度偏差ꎬ不考虑臂架下铰座变形对对接结构受力的影响ꎻ所有弦杆㊁腹杆㊁滑轮轴用ｂｅａｍ１８８单元模拟ꎬ所有钢板用ｓｈｅｌｌ６３单元模拟ꎮ该模型坐标系以臂架下部２铰点的对称中心为坐标原点ꎬ水平方向为Ｘ轴方向ꎬ垂直于臂架向内为Ｙ轴方向ꎬ竖直向上为Ｚ轴方向ꎮ表３㊀计算工况计算工况幅度/ｍ起重量/ｔ摆动角度风向工况一工况二工况三３６５５内摆２ʎ－Ｘ侧摆２ʎＹ内摆１.４ʎ＋侧摆１.４ʎ－Ｘ＋Ｙ工况四工况五工况六７０５５外摆２ʎＸ侧摆２ʎＹ内摆１.４ʎ＋侧摆１.４ʎＸ＋Ｙ工况七工况八工况九８０３５外摆２ʎＸ侧摆２ʎＹ内摆１.４ʎ＋侧摆１.４ʎＸ＋Ｙ㊀㊀计算载荷按载荷组合以产生最不利作用的方式施加ꎮ具体处理方式为:以惯性加速度的方式考虑臂架结构自重的影响ꎬ起升载荷考虑起升动载系数的影响ꎬ以等效集中载荷的形式施加于臂架结构头部滑轮组轴上ꎬ起升钢丝绳绳拉力以等效集中载荷的形式施加于起身滑轮组滑轮轴上[７]ꎻ臂架惯性力以惯性加速度的形式施加于整个臂架结构上ꎻ内外摆㊁侧摆以及货物风载荷以集中载荷的形式施加于臂架结构头部滑轮组轴上ꎻ臂架结构风载荷以惯性加速度的形式施加于整个臂架上ꎮ结合臂架受力特点ꎬ对表３所示工况进行应力分析ꎮ各工况下臂架结构计算应力最大值见表４ꎮ表４㊀各工况臂架结构最大计算应力工况最大应力值/ＭＰａ最大应力所在部位许用应力/ＭＰａ强度是否满足要求工况５２２２.７０５臂架头部箱梁２５９.４是工况６２１９.８１７臂架头部箱梁２５９.４是㊀㊀由以上的有限元结果分析可以得出ꎬ优化后的臂架结构强度满足计算要求ꎮ５㊀结语提出了一种钢丝绳变幅式单臂架门座起重机臂架优化结构ꎬ优化后的臂架具有结构轻㊁起升变幅钢丝绳偏角小㊁易于维护等优点ꎮ通过对某船厂５５ｔ单臂架造船门座起重机臂架结构的具体设计ꎬ验证了这种单臂架优化设计的可行性ꎮ参考文献[１]㊀刘铁军ꎬ冯小保ꎬ陆鹏鹏ꎬ等.基于Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的某型门座起重机臂架优化[Ｊ].港口装卸ꎬ２０１７(４):９￣１０.[２]㊀张玉星ꎬ卫良保ꎬ杜轩ꎬ等.履带起重机臂架结构的设计研究及优化[Ｊ].太原科技大学学报ꎬ２０１３ꎬ３４(３):２２１￣２２５.[３]㊀徐克晋.金属结构[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ１９８２.[４]㊀钟茗秋.基于虚拟样机的门座起重机臂架结构疲劳损伤仿真研究[Ｄ].武汉:武汉理工大学ꎬ２０１５.[５]㊀吴亢.门座起重机臂架强度的有限元分析[Ｊ].装备制造技术ꎬ２０１０(６):７３￣７４.[６]㊀霍洪瑞.基于ＡＮＳＹＳ的造船用门座起重机臂架系统有限元分析[Ｊ].机械工程ꎬ２０１６(３):１１７￣１１９.[７]㊀孙彦锋.港口门座起重机臂架结构有限元分析[Ｊ].科学技术创新ꎬ２０１３(２３):３８.陈梅林:４３００６３ꎬ武汉市武昌区和平大道１１７４号收稿日期:２０１８￣０４￣０４ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００－８９６９.２０１８.０４.００４４１ＰｏｒｔＯｐｅｒａｔｉｏｎ㊀２０１８ Ｎｏ ４(ＳｅｒｉａｌＮｏ ２４１)。
门式起重机结构的设计与分析作者：谢益忠来源：《科学与财富》2014年第06期摘要：门式起重机是我国应用范围相当广的起重机械之一，其迎风面积小和结构轻巧的特点面对频繁的拆卸、维修、安装都显得尤为重要，对于承受起重机运行荷载及其自重更是目前较为合理和经济的形式。
本文通过对我国现有门式起重机结构设计的参考，设计了一种桁架结构门式起重机结构。
该结构主要采用管桁结构，由无缝钢管焊接而成，无高强螺栓而采用的是销轴连接方式，且同时运用于大车轨道的连接，达到了抗风性能强、维护简便、排水便利的优点，减轻了啃轨对轨道造成的破坏。
关键词：门式起重机；设计与分析；有限元分析；瞬态分析一、门式起重机结构设计本文采用桁架作为起重机的主体结构，其迎风面积小和结构轻巧的特点面对频繁的拆卸、维修、安装都显得尤为重要，对于承受起重机运行荷载及其自重更是目前较为合理和经济的形式。
如图1所示，本门式起重机的主梁采取倒三角管桁架结构，再与由无缝钢管焊接组成的刚性支腿和柔性支腿通过销轴连接而成，具有抗风性能强、维护简便、排水便利的优点，再加上销轴比高强螺栓更加经济节约，施工起来快捷方便，成为了目前前景较好的结构形式。
其次，台车和横梁之间采取的十字轴连接形式，当出现啃轨现象时，整机会偏斜运动，十字连接轴受到偏斜力会在垂直方向稍稍转动，减轻了啃轨对轨道造成的破坏。
起重小车在上主弦的腹杆结构上运行，上主弦承受起小车的水平荷载和风荷载，保证了强度和稳定性。
之所以该结构采用刚柔结合的支腿形式，主要目的还是考虑大跨度门式起重机造成的温度变形影响，同时，为满足桁架刚度及我国规定的运输净空限定，本文将桁架高度取值为3m。
其次，为保证起重机通行宽度，门式起重机的跨度限定于2.8m。
对于悬臂长度，只需在跨度的0.2～0.35范围内即可，该结构取值为10.09m。
二、门式起重机的制造工艺及主梁预拱控制由于门式起重机是由规格不一的无缝钢管组合而成，其节点复杂、焊缝繁多、拱度较难控制及具有较大变形等缺点给工艺带来了不小的困难。
门座起重机门架结构的有限元分析武汉水利电力大学 傅永华门架结构是门座起重机的基础结构,设计时一般简化为杆系结构进行计算,即将其部件作为浅梁处理。
然而在实际工程中,许多圆筒门架的部件已不宜视为浅梁。
如某电厂的60t M 6022型门座起重机(图1),沿轴线方向计算高跨比:主梁为260/1050=1/4,下横梁为250/1050=1/4.2,均属于深图1 60t M 6022型门座起重机示意图梁范畴;圆筒与两侧立柱更甚,高跨比分别为320/490=1/1.54与250/320=1/1.28,显然作为刚架结构分析是有很大误差的。
当然,在具体设计中,可加大安全储备弥补这一缺陷,但难免带有盲目性。
而且作为一种复杂的薄壁箱形结构,不了解其应力场的具体分布情况,难以有效地优化结构。
本文以某电厂M6022型门座起重机(以下简称门机)为例,使用Super Sap93大型结构分析软件用板壳元建立力学模型计算,并在分析应力场分布特点的基础上,多次改变模型的局部结构反复计算,较合理地说明了这类结构的强度条件与加固措施。
1 模型建立1.1 单元划分圆筒门架结构是对称的,但门机工作时工况的变化不便于利用对称性,故采用四结点任意四边形板壳元建立整个结构的模型。
其中圆筒板厚18mm,主梁翼缘板厚18m m,腹板厚14mm,下横梁翼缘板厚16mm,腹板厚14mm 。
网格划分如图2所示,共1825个结点,1840个单元。
图2 圆筒门架结构网格节点图的升、降、存和取分别操作,而且是手离按钮即停止动作,有关检测和安全系统仍有效(门联锁除外),升降电机处于慢速状态。
3 安全系统垂直升降式立体停车库的安全系统是由车辆尺寸和重量检测系统、超速保护系统、升降传动机构失效保护系统、冲顶保护系统、沉底保护系统、联锁保护系统、消防系统和避雷装置等组成,其工作方式举例如下:(1)车辆尺寸和重量检测系统 当车超尺寸或超重y/超负荷0灯亮,否则/安全确认0灯亮y 车驶出y 关门y 结束。
大。
(3)当油气弹簧缸筒内径发生变化时,阀系参数应重新设计,以满足油气弹簧特性设计要求。
(4)利用缸筒内径影响系数,可以定量地把握缸筒内径对节流缝隙的影响及变化规律,有效地指导油气弹簧阀系参数设计,为油气弹簧的实际设计提供了简便、实用的设计方法。
参 考 文 献1 冯雪梅,刘佐民.汽车立业减振器技术的发展与状况.武汉理工大学学报,2003,27(3):340—3432 王汉平,张聘义.混合连通式油气悬架重型车辆的振动性能研究.导弹与航天运载技术,2003,264(4):7—113 李世民,吕振华.汽车筒式液阻减振器技术的发展.汽车技术,2001(8):10—164 封士彩,徐勇.工程车辆油气悬架刚度和阻尼特性分析.工程机械,2001(7):11—135 陈勇,何辉,白金福.夏利轿车液力油气弹簧簧片的变形分析.汽车技术,2000(1):19—206 俞德孚,陈庆华.悬架减振器外特性平安比的研究.车辆与动力技术,2002,87(3):11—177 周长城,顾亮.油气弹簧阀片厚度与节流缝隙的研究.汽车技术,2006(10):15—188 周长城,顾亮,王丽.节流阀片弯曲变形与变形系数.北京理工大学学报,2006,26(7):581—5849 周长城,顾亮,陈轶杰.油气弹簧节流阀片设计与研究.机械设计,2006,23(6):21—2310 周长城,赵力航,顾亮.减振器叠加节流阀片的研究.北京理工大学学报,2006,26(8):681—684作 者:周长城地 址:山东省淄博市山东理工大学交通与车辆工程学院邮 编:255049门座起重机臂架结构有限元分析武汉理工大学物流工程学院 计三有 苏运波 长沙职工大学 刘 清 摘 要:应用有限元分析方法,建立门座起重机臂架结构有限元模型,得出臂架结构的应力与位移分布并进行强度校核。
同时对臂架结构进行模态分析,得出各阶固有频率和振动模型,为设计提供理论依据。
关键词:门座起重机;臂架结构;模态分析;固有频率Abstract:The paper expounds the way to establish finite element analysis m odel for jib structure of gantry crane,and de2 rives the stress and displacement distribution of jib structure and checks strength.Furtherm ore it als o makes a m odal analysis of jib structure and derives inherent frequencies and vibration patterns,which provides theoretical basis for design.K eyw ords:gantry crane;jib structure;m odal analysis;inherent frequency1 前言在起重机结构的设计计算中,普遍采用的方法是设计人员依据材料力学原理、结构力学方法进行结构的设计与校核。
