摘要：对桥式起重机主梁的轻量化设计方案对主梁强度、静态刚度的影响问题，基于相似理论和弹性静力学，采用方程分析法推导出原型主梁与相似主梁应力场相似的相似准则。依据主梁结构形式及受力特点，设计切实可行的主梁结构模型试验方案，开展轻量化主梁结构模型试验研究。
关键词：桥式起重机；箱形梁；轻量化
目前，我国起重机械多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计法、类比法及直觉法等传统设计方法，设计过程反复多、周期长、设计的精确度差，致使起重机质量重、体积大、能耗高，造成资源的浪费。通过桥式起重机轻量化设计技术及应用课题，针对额定载重量5-100t，工作级别A3-A6的桥式重机开展技术研究，使新型起重机械具有结构紧凑，机构轻巧，性能可靠等特性，以达到节省材料、减少能耗、降低厂房建筑高度和减少使用维护成本等目标。
一、主梁结构形式轻量化设计
1、采用窄翼缘偏轨箱形梁结构。箱形结构具有通用性强、抗扭性好、制造工艺简单、便于实现自动焊等优点，作为大批量生产的起重机主梁结构的主要形式是合理的。吊钩桥式起重机QD系列桥式起重机设计中，主梁结构采用半偏轨形式。近几年，随着设计方法不断优化改善，国内起重机厂家越来越多采用偏轨箱形主梁。与半偏轨形式相比，具有以下特点:考虑到主、副腹板受力不同，副腹板板厚选取可比主腹板小；可取消半偏轨箱形梁内部众多小隔板；明显改善主梁上盖板的焊接变形和波浪变形，焊接下挠变形量较小；大吨位偏轨箱形梁系宽形梁，可以省掉走台，使制造简化，再次减重。
2、采用方钢焊接轨道。桥式起重机小车行走轨道多采用起重机钢轨和P型铁路钢轨。这种轨道均需采用压板固定在主梁上。这种安装方式不会产生焊接热变形，但轨道与主梁分离，不能将其视为承受小车轮压的整体而计入主梁截面，这使得主梁截面尺寸偏大；轨道压板的安装也使上盖板外伸尺寸较大，主腹板外需设置加强筋支撑上盖板外伸部分；同时压板不能侧向固定钢轨，以致可能出现小车车轮啃轨等现象。以DEMAG、KONE等为代表起重机公司经过多年开发创新，已形成了引领国际先进水平的轻型组合式、以模块化设计为先导的桥式起重机系列产品。在起重机金属结构方面，采用焊接轨道的偏轨箱形梁结构，并将小车轨道计入主梁截面，使主梁高度降低，截面尺寸小，桥架结构质量轻。目前国内起重机制造厂家也出现焊接轨道，但轨道并未计入主梁断面，结构材料并没有充分利用。以32t－22.5m－A5规格为例，采用不同轨道，且满足强度、刚度等条件的主梁截面，采用焊接轨道可明显达到桥式起重机轻量化设计的目标。
3、主梁结构材料选取
与QD系列主梁结构统一采用Q235材料不同，通用型桥式起重机轻量化系列主梁材料采用Q235和Q345在满足静强度、静刚度、高跨比范围、疲劳强度等控制条件下，以主梁轻量化为目标，同时考虑结构的经济性，进行结构材料采用方钢的主梁截面尺寸选取。通过不同材料的主梁计算比较，在各项设计控制值的约束下，主梁材料的选取情况如下:
1)工作级别A5以下的桥式起重机
①小吨位例如起重量5t、10t，在高跨比取值约束下，采用不同材料的主梁断面变化很小，且主梁强度值在100-130MPa，故选用Q235。
②大吨位例如起重量32t以上，若材料采用Q345，质量平均降低约12%，故选用Q345。
2)工作级别A6的桥式起重机因工作级别A6需进行疲劳强度验算，疲劳许用应力为140-150MPa。采用Q235和Q345不同材料的主梁质量差别很小。但考虑到经济性，故选用Q235。通过以上对结构材料进行细化分析，灵活和合理的选取材料，可以最大范围的降低主梁质量。
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二、主梁结构设计准则
1、静刚度控制指标。对QD系列参数统计，主梁静刚度控制在L/1000左右。设计刚性大，结构余量大，材料没有完全利用，采用与ISO起重机刚性桥式起重机和门式起重机的要求，使静刚度与定位精度要求及控制系统特性有关。目前，我国桥式起重机趋向于采用新的控制系统，如变频调速拖动技术，提高了起重机整机定位精度，缓解了动态冲击；同时，通用型桥式起重机主要适用于车间和仓库的吊装与运输使用，中等定位精度即可满足设计要求。根据起重机设计规范及变频控制系统的使用，刚度准则相对传统控制值有所突破，刚度控制值为L/750，可充分利用金属结构材料，达到起重机主梁轻量化设计的目标。
2、主梁动刚度控制及高跨比取值
为了保证通用型桥式起重机的强度和稳定性，结构和起升系统的设计已达到一定的动态刚性指标，因此，起重机设计规范对动态刚性并未做出要求。依据桥式起重机小车行走轨道与主梁分离可能出现小车车轮啃轨的现象，目前国外在起重机金属结构方面，开始采用焊接轨道的偏轨箱形梁结构来降低主梁高度，主梁截面将小车轨道考虑进去，减小其截面尺寸，减轻桥架质量，从而达到桥式起重机轻量化设计的目标。虽然国内起重机制造厂家也研发出了焊接轨道，但结构材料并没有得到充分利用，还有待于进一步研究与开发。
三、主梁局部稳定性
桥式起重机主梁金属结构是整机的支撑，其失效不仅使起重机失去功能，而且会给生产和人身安全带来巨大危害。主梁结构形式以薄壁箱形为主，容易造成局部失稳，使板的承载能力逐渐减弱，应力重新分配，导致整体破坏。
传统设计方法中，主梁中间段横隔板的布置约1m间距，但在主梁轻量化系列中，采用跨中横隔板等间距2m布置，即选取规范中规定的最大值。这样布置的优点在于:横隔板间距的增大，可以减少横隔板和焊缝的数量，并在减少主梁质量的同时减少了人工施焊的工作量和增大了工人的作业空间，进而提高焊缝质量，从而减少了结构应力集中，提高了抗疲劳性。对横隔板和加筋的设置进行了局部稳定加强，并通过有限元屈曲分析进行验证，使主梁在轻量化系列设计平均减重20%-25%的情况下也能够保证安全稳定。横隔板采用圆弧倒角使其具有较高的承载力和良好的延展性，可有效地降低应力集中，防止节点发生脆性破坏。通过将横隔板与腹板之间的分段连续焊改为完全双面连续焊，降低横隔板与腹板连接处的焊接应力集中等级，使截面上点的应力分布趋于平均，提高了横隔板的局部稳定性。
有限元屈曲分析，以屈曲系数表征其局部稳定性。以32t－22.5m－A5双梁桥式起重机为例，得到小车满载位于跨中位置时的阶屈曲分析，提取阶屈曲模态系数整理数据显示屈曲系数均远大于1，主梁屈曲的最小临界载荷远大于该结构的最大承载，故该结构在正常的额定载荷内是非常安全的，不会发生屈曲。，横隔板与腹板之间采用完全双面连续焊，降低焊缝应力集中，使截面上点的应力分布趋于平均，从而提高横隔板的局部稳定性。
以通用型桥式起重机主梁结构轻量化系列设计的关键技术。包括主梁结构形式的选择；对不同吨位和工作级别，主梁结构材料的选择；对主梁设计关键参数的优化，如静刚度控制指标及主梁高跨比的选取等。通过以上研究工作的开展，达到桥式起重机主梁的轻量化设计，从而推动起重机向轻量化、节能型方向发展。
参考文献
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论文作者:唐子军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/17
标签：结构论文; 横隔论文; 起重机论文; 桥式起重机论文; 轨道论文; 刚度论文; 截面论文; 《基层建设》2018年第21期论文;