河南工學(xué)院機(jī)械工程系 河南新鄉(xiāng) 453003

LD型電動單梁起重機(jī)性價比高，使用方便，結(jié)構(gòu)輕巧，目前應(yīng)用范圍較廣［1］。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)目前使用的起重機(jī)械中，有70%是電動單梁起重機(jī)，說明電動單梁起重機(jī)已經(jīng)成為施工過程中不可缺少的起重設(shè)備［2］。但是，目前的LD型電動單梁起重機(jī)∏型主梁多數(shù)采用壓制成型及多段拼焊的工藝制作而成，耗能高，效率低，如何改進(jìn)主梁制作工藝，并使其能夠滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求，是一個需要迫切解決的問題。

1 傳統(tǒng)主梁結(jié)構(gòu)

目前，我國生產(chǎn)的LD型電動單梁起重機(jī)主梁大多數(shù)是箱型實(shí)腹梁，采用壓制的∏型槽鋼和工字鋼組焊而成，電動葫蘆以工字鋼下翼緣板作為軌道［3］。主梁截面如圖1所示。

▲圖1 傳統(tǒng)主梁截面

2 傳統(tǒng)主梁制作工藝

對于傳統(tǒng)的LD型電動單梁起重機(jī)，用5～6 mm厚的Q235鋼板在專用壓胎上壓制成∏型槽，將若干個∏型槽拼焊加長，然后焊接筋板、工字鋼，再焊接兩側(cè)板，最后焊接連接板而形成主梁。傳統(tǒng)的∏型槽制作工藝為：矯正鋼板→預(yù)處理→下料→壓力機(jī)壓制∏型槽→焊接接長∏型槽→焊接筋板等→后續(xù)工序。

傳統(tǒng)制作工藝中，因?yàn)橹髁骸切筒鄣牟坶L受到剪板機(jī)剪口長度及壓力機(jī)工作臺長度的制約［3］，所以∏型槽較短，要達(dá)到所需長度，需人工將多個∏型槽拼焊在一起，從而增加了主梁的縱向焊縫?？梢?，傳統(tǒng)的∏型梁制作工藝存在以下缺點(diǎn)：主梁縱向焊縫較多，容易產(chǎn)生焊接缺陷；產(chǎn)品質(zhì)量較低；勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；污染嚴(yán)重。

3 改進(jìn)后主梁結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的主梁∏型槽使用冷彎成型的生產(chǎn)工藝，一次性連續(xù)加工而成。為了提高主梁的承載能力，采用在主梁∏型槽的三條邊上分別加上弧形槽的結(jié)構(gòu)，其截面如圖2所示。應(yīng)用該結(jié)構(gòu)可省去傳統(tǒng)工藝中焊接縱向加強(qiáng)筋的工序。

▲圖2 改進(jìn)后主梁截面

4 改進(jìn)后主梁制作工藝

隨著科技的不斷發(fā)展，冷彎成型技術(shù)以節(jié)能、環(huán)保、高效等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用［4］。改進(jìn)后的主梁∏型槽采用一次性冷彎成型工藝。冷彎成型是板類金屬加工的重要方法之一，將卷料或單張板料放入由多對具有一定形狀成型軋輥組成的成型機(jī)，使坯料逐步彎曲變形，最終得到均一截面產(chǎn)品［5］。因?yàn)楦倪M(jìn)后的主梁∏型槽三條邊上各加了一個弧形槽，為實(shí)現(xiàn)弧形槽的加工，在∏型槽制作過程中需要在冷彎成型機(jī)中增加三個縱向弧形槽成型輥。制作工藝為：開卷機(jī)開卷板→矯平機(jī)矯平→剪板機(jī)剪板→對中→輥式冷彎成型→牽引輸送→焊接筋板等→后續(xù)工序。

全流程采用可編程序控制器控制，自動化程度較高，并且改進(jìn)后的主梁∏型槽采用冷彎成型技術(shù)，通過冷彎機(jī)加工，不需要進(jìn)行多個∏型槽的對接焊接，因而主梁的生產(chǎn)效率及質(zhì)量均得到了明顯提高。

5 有限元建模分析

5.1 建模

以LD型電動單梁起重機(jī)主梁為研究對象，應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模。首先對構(gòu)成主梁的零件進(jìn)行單個建模，然后采用自上而下的裝配形式逐個進(jìn)行裝配，建立的主梁模型如圖3和圖4所示。

主梁三維模型建立完成之后，采用SolidWorks Simulation對主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

▲圖3 傳統(tǒng)主梁三維模型

▲圖4 改進(jìn)后主梁三維模型

5.2 設(shè)置材料屬性

起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的材料主要有低合金結(jié)構(gòu)鋼和普通碳素鋼兩種。電動單梁起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)所用的材料大多為Q235鋼，因此定義材料為普通碳素鋼［6］，設(shè)置模型類型為線彈性各向同性，定義材料彈性模量為210 GPa，泊松比為 0.28。

5.3 施加載荷和約束

起重機(jī)主梁通常被簡化為簡支梁形式，因此載荷類型設(shè)置為固定幾何體形式。當(dāng)小車滿載運(yùn)行至主梁跨中時，主梁處于最危險工況［7-8］，因此將載荷施加在主梁工字鋼的下翼緣表面上，所施加力的大小為小車額定起重力與電動葫蘆重力之和。電動葫蘆的重力為4 900 N，小車額定起重力為49 000 N，可得總施加力為53 900 N。

5.4 網(wǎng)格劃分

設(shè)置網(wǎng)格密度為良好，網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置為基于曲率的網(wǎng)格，并且進(jìn)一步指定網(wǎng)格單元的大小，網(wǎng)格的雅可比點(diǎn)選取4點(diǎn)。

5.5 分析結(jié)果

表1列出了改進(jìn)前后主梁的應(yīng)力和撓度，其中的參數(shù)是在SolidWorks Simulation中提取的，最大應(yīng)力和最大撓度均是在起重小車滿載并位于主梁跨中時提取的。

由表1可知，改進(jìn)后主梁應(yīng)力和撓度比改進(jìn)前主梁應(yīng)力和撓度小，即改進(jìn)后主梁的強(qiáng)度和剛度提高了。

表1 改進(jìn)前后主梁應(yīng)力和撓度

5.6 結(jié)果驗(yàn)算

有限元分析后，再通過靜力學(xué)方法來驗(yàn)證主梁的有限元分析結(jié)果。

起重機(jī)主梁所用材料為Q235鋼，對于塑性材料，強(qiáng)度可以按下式計(jì)算［9-10］:

式中：［σ］為材料許用應(yīng)力；σs為起重機(jī)鋼材屈服強(qiáng)度；ni為安全因數(shù)，取ni=1.33。

Q235鋼的屈服強(qiáng)度為235 MPa，經(jīng)計(jì)算，許用應(yīng)力［σ］約為 177 MPa。

主梁撓度f的計(jì)算式為：

式中：［f］為許用撓度；L為主梁跨度，取L=12 m。

經(jīng)計(jì)算，主梁許用撓度［f］為17.2 mm。

通過靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)起重小車滿載運(yùn)行位于主梁跨中時，也就是在最惡劣的工況時，表1中改進(jìn)前后主梁的應(yīng)力和撓度均在允許范圍之內(nèi)。

6 結(jié)束語

經(jīng)過分析，改進(jìn)后主梁的強(qiáng)度和剛度相比傳統(tǒng)主梁的強(qiáng)度和剛度有所提高。改進(jìn)后主梁制造工藝簡單，勞動強(qiáng)度低，生產(chǎn)成本低，減小了焊接產(chǎn)生的環(huán)境污染，創(chuàng)造價值可觀，并且符合當(dāng)今機(jī)械生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。