王 安

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

為應(yīng)對特重型貨物起吊作業(yè)工況，重型門座起重機應(yīng)用越來越普遍。由于堆場使用范圍限制及節(jié)約成本考慮，有些堆場不需要配置行走機構(gòu)就能滿足使用要求，固定吊應(yīng)運而生。

固定吊結(jié)構(gòu)主要包含圓筒體、轉(zhuǎn)盤、人字架、臂架系統(tǒng)、起升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)及回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等，相較于常規(guī)門座起重機少了門架及行走機構(gòu)。常用的回轉(zhuǎn)支承有：轉(zhuǎn)柱式、定柱式、滾輪式、滾動軸承式和棍子夾套式[1]。其中夾套式滾子回轉(zhuǎn)軸承裝置是較早采用的一種型式，其直徑大而高度很小，適合低重心起重機的要求。此次研究的固定吊采用滾子夾套式回轉(zhuǎn)軸承，左側(cè)布置正滾輪20個、右側(cè)正滾輪28個、左側(cè)反滾輪13個、右側(cè)反滾輪9個，對其回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵進行闡述。

2 固定吊計算模型

該固定吊額定起重量650 t(12.5～26 m)、350 t(12.5～33 m)，滿載時起升速度0～1.8 m/min，變幅速度1 m/min，回轉(zhuǎn)速度0.125 r/min。用ANSYS軟件建立固定吊三維有限元模型，圓筒體、人字架防撞桿及臂架桁架部分采用BEAM188單元；轉(zhuǎn)盤、人字架及臂架頭部采用BEAM44單元；變幅鋼絲繩由僅有拉伸剛度的LINK10單元模擬；各機構(gòu)在模型中體現(xiàn)為集中質(zhì)量，由MASS21單元模擬[2]；正反滾輪及煙膠由僅有壓縮剛度的LINK10單元模擬(見圖1)。圓筒體底部全約束6個自由度，計算時載荷為結(jié)構(gòu)自重及吊重，取結(jié)構(gòu)在承受最大傾覆力距時的幅度進行計算。

圖1 固定吊有限元模型

3 回轉(zhuǎn)支承受力及簡化模型

為簡化理論計算，首先作以下假設(shè)：①上下支承結(jié)構(gòu)有足夠剛度，由載荷引起的變形忽略不計；②所有滾輪直徑相等；③支承軌道面絕對平整且相互平行；④滾輪變形與載荷呈線性關(guān)系。

作用于回轉(zhuǎn)支撐上的載荷分為垂直載荷、水平載荷以及傾覆力距。其中垂直載荷由正滾輪承受，水平載荷由針銷承受，傾覆力矩由臂架側(cè)正滾輪及反滾輪共同承受。只研究垂直載荷及傾覆力矩。

根據(jù)理論分析，滾輪受力與滾輪中心到旋轉(zhuǎn)中心的距離相關(guān)，最大輪壓出現(xiàn)在前部滾子上，越靠近中部輪壓越小，會根據(jù)距離均勻分布。

在工作狀態(tài)最大載荷組合下，要求最大輪壓Nmax>0，即不允許棍子出現(xiàn)負(fù)輪壓，以免載荷變化時產(chǎn)生沖擊；在非工作狀態(tài)載荷組合時，允許Nmax<0。

按此種理論進行ANSYS分析，結(jié)果得出的滾輪力與理論分析偏差非常大。由于是剛對剛接觸，沿臂架方向最前方的滾輪承受絕大部分的力，只有當(dāng)正中心滾輪單元出現(xiàn)變形，兩側(cè)的滾輪才可能逐漸受力，并逐漸擴散至附近滾輪。但ANSYS模型中滾輪的模擬是用無限剛的假單元進行，不存在變形情況，所以力基本被最前方的前后滾輪分擔(dān)，這與設(shè)計的初衷不一致，達不到預(yù)期效果，最終設(shè)計的時候考慮增加煙膠。

4 煙膠剛度及模型簡化

橡膠材料具有高彈性，其彈性模量低，伸長變形長，有可恢復(fù)的變形，并能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持彈性。由于其非線性，考慮到橡膠的疲勞問題，通常將其應(yīng)變量控制在一定范圍。為使?jié)L輪受力盡量均勻，根據(jù)正反滾輪受力的不同，在相應(yīng)側(cè)增加煙膠。在受力時，煙膠適當(dāng)壓縮變形，根據(jù)滾輪距離中心位置的不同，煙膠變形量不一致，最終使得各滾輪受力盡量均勻，避免受力大的滾輪被壓潰。一般情況下，橡膠材料在壓縮時其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可近似線性擬合。根據(jù)廠家的煙膠承壓實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出載荷與煙膠壓縮量的關(guān)系，換算出煙膠的彈性模量，分別按200 MPa、321 MPa、455 MPa進行模擬。

正反滾輪裝配見圖2。

1.正滾輪承軌梁 2.煙膠 3.軌道 4.正滾輪 5.反滾輪承軌梁 6.反滾輪軌道 7.反滾輪 8.煙膠

其受力簡化模型見圖3，并按此建立ANSYS模型。

1.正滾輪承軌梁 2.煙膠 3.軌道 4.正滾輪 5.反滾輪 6.軌道 7.煙膠 8.反滾輪承軌梁

5 計算結(jié)果分析

根據(jù)ANSYS模擬，左側(cè)正滾輪編號由10001到10020，共20個受力滾輪；右側(cè)正滾輪編號由20001到20028，共28個受力滾輪；左側(cè)反滾輪編號由30001到30013，共13個受力反滾輪；右側(cè)反滾輪編號由40001到40009，共9個受力反滾輪。

在650 t起重量、26 m幅度靜載時計算出各滾輪受力，此時整機重心靠前，使得部分左側(cè)正滾輪脫離軌道不受力，左側(cè)部分反滾輪開始起作用。在3種不同的煙膠彈性模量時，各滾輪受力折線圖見圖4。受力圖橫坐標(biāo)為各正反滾輪編號，縱坐標(biāo)為滾輪受力值(N)，負(fù)值代表壓縮。

圖4 滾輪受力折線圖

煙膠壓縮量見圖5，橫坐標(biāo)為煙膠點的單元節(jié)點編號，縱坐標(biāo)為節(jié)點變形量(mm)，負(fù)值代表壓縮。

圖5 煙膠壓縮量折線圖

在相同載荷條件、不同煙膠彈性模量狀態(tài)下，煙膠的剛度越小，其壓縮量越大，滾輪的最大壓力越小，各滾輪的受載趨勢越均勻。

6 滾輪踏面接觸強度及剛度計算

滾輪與軌道平面按圓柱與平面接觸計算最大接觸強度σmax[3]。

(1)

式中,P為最大壓力，滾輪受力最均勻時取1 040 kN，滾輪受力最集中時取1 600 kN；E為鋼材的彈性模量，取2.06×105MPa；R為車輪半徑，取275 mm；L為車輪與軌道有效接觸長度,取280-2×5=270 mm。

當(dāng)P取1 040 kN時：σmax=702.9 MPa；當(dāng)P取1 600 kN時：σmax=871.8 MPa。對鐵軌許用接觸強度[σH]=800～1 000 MPa，根據(jù)接觸問題的強度條件σmax≤[σH]，故接觸強度滿足要求。

接觸相對位移可由式(2)求得：

(2)

7 結(jié)語

根據(jù)正反滾輪受力折線圖可知，沿著水平軸線方向滾輪受力基本對稱，右側(cè)正滾輪受力最大處基本在最外側(cè)兩個受力正滾輪處。當(dāng)滾輪無煙膠時，個別車輪承載過大，而個別車輪又幾乎不受力，車輪存在壓潰風(fēng)險，在設(shè)計時需添加煙膠。煙膠隨著壓縮剛度的不同，在承載時產(chǎn)生壓縮變形，會導(dǎo)致承軌梁產(chǎn)生高低不同的坡度，如果變形坡度過大，則與計算前的假設(shè)相違背，故需要將變形坡度控制在一定范圍內(nèi)。適當(dāng)減小煙膠彈性模量有利于減小車輪輪壓，而過小的煙膠彈性模量則會引起軌道不平，增加回轉(zhuǎn)機構(gòu)的運行阻力，且降低煙膠的使用壽命。