新型低净空起吊副梁结构设计及力学性能分析_梁辉.pdf

1272023 年第 2 期梁 辉等：新型低净空起吊副梁结构设计及力学性能分析梁 辉等：新型低净空起吊副梁结构设计及力学性能分析新型低净空起吊副梁结构设计及力学性能分析梁 辉1 褚乐乐2（1.枣矿集团公司滨湖煤矿，山东 枣庄 277500；2.枣庄新远大装备制造有限公司，山东 枣庄 277100）摘 要 针对现有单轨吊机车起吊梁存在的空间占用大、形式单一等问题，考虑工程应用典型工况和承载要求等，开展单轨吊低净空起吊副梁结构设计，同时利用数值仿真技术对其力学性能进行分析。结果表明：新型起吊副梁的最大承载载荷为20 t，满足设计载荷16 t的要求。此外，其最大应力及最大变形量均小于许用值，强度和刚度满足工程应用要求。关键词 单轨吊；低净空起吊副梁；结构设计；力学性能中图分类号 TD407 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.045Structural Design and Mechanical Performance Analysis of a New Type of the Low Clearance Secondary Beam of the Monorail CraneLiang Hui1 Chu Lele2(1.Binhu Coal Mine of Zaozhuang Mining Group Co.,Ltd.,Shandong Zaozhuang 277500;2.Zaozhuang Xinyuanda Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Shandong Zaozhuang 277100)Abstract:In view of the problems of large space occupation and single form existing in the lifting beam of the existing monorail crane,and considering the typical working conditions and bearing requirements of the engineering application,the structural design of the low clearance secondary beam of the monorail crane is carried out.At the same time,its mechanical properties are analyzed by numerical simulation technology.The results show that the maximum load of the new type lifting auxiliary beam is 20 t,which meets the requirement of 16 t design load.In addition,the maximum stress and maximum deformation are less than the allowable values,and the strength and stiffness meet the requirements of engineering application.Key words:monorail crane;low clearance secondary beam of the monorail crane;structural design;mechanical property 收稿日期 2022-07-13作者简介 梁辉（1983），男，山东枣庄人，2012 年毕业于中国矿业大学（北京）机械电子工程专业，硕士，工程师，研究方向：煤矿机电设备。梁 辉等：新型低净空起吊副梁结构设计及力学性能分析梁 辉等：新型低净空起吊副梁结构设计及力学性能分析单轨吊机车是作业于铺设在矿山巷道顶端单根轨道上，实现对人和货物运输的辅助运输设备1-2。起吊梁是单轨吊机车实现货物吊运的中间连接工具，其结构形式和承载性能直接影响着吊运作业的可行性和安全性3-4。现有主流重型起吊梁受限于结构形式，其作业高度空间要求较大。以 16 t 为例，其高度方向空间要求 700 mm，对于传统矿山巷道，其作业局限性较大。为满足使用条件，常规的巷道修整（卧底施工）工作量繁重，人力物力投入较大。因此，设计制造新型低净空起吊梁，对于拓宽单轨吊作业范围、提升其对各类巷道的适用性等具有重要的工程应用价值。针对上述问题，本文基于三维设计平台和数值仿真技术，兼顾起吊梁承载性能和作业空间要求，设计一种新型低净空起吊梁副梁，为单轨吊机车辅助运输系统总体设计提供技术支撑和理论参考。1 起吊副梁结构设计单轨吊机车起吊梁结构形式如图 1。起吊梁通过承载小车吊挂于单轨轨道上，并在单轨吊机车牵引下实现对货物的吊装运输。起吊梁包括主梁和副梁，主梁连接于单轨吊机车和轨道，副梁用于连接吊装货物。传统起吊梁主、副梁间的空间较大，直接限制了其使用的灵活性和适用性。本文设计新型1282023 年第 2 期副梁，将从动链轮布置在副梁内部，副梁“鱼腹”凸于连杆下部空间，极大地减少了起吊梁自身高度空间占用率（低净空），增加起吊货物的提升高度。1.运行轨道；2.起吊主梁；3.起吊副梁；3-1.主梁；3-2.端部封板；3-3.孔用加强板；3-4.上部封板 1；3-5.侧边加强板 1；3-6.上部封板 2；3-7.侧边加强板 2；3-8.侧边加强板；3-9.吊耳；3-10.侧梁；3-11.吊板；3-12.起吊链图 1 单轨吊低净空梁工程应用示意图本文新设计低净空起吊副梁几何结构如图 1。起吊副梁结构形式仍为箱型，其主梁采用工字梁焊接而成，端部和两侧起吊部位的上部采用封板进行封装。为增加主梁刚度，在前后两侧边焊接加强板。此外，为提高螺栓连接部位的强度和刚度，在螺栓连接孔处焊接孔用加强板。为方便各结构尺寸物料的吊运，新设计起吊副梁提供分布于主梁加强板上的吊耳和具备多起吊孔的吊板，可单独使用或配合使用，提高吊装的灵活性、安全性和高效性。本文设计起吊副梁结构具有几何结构简单、加工工艺简单、加工材料获取方便且材料性能易保证等优点，可有效兼顾加工成本、加工效率和产品性能。2 起吊副梁有限元模型及工况分析2.1 材料属性和网格划分主梁 1 和侧梁 10 材料为 Q235B，侧边加强板的材料为 Q690D，其他加强板和筋板的材料为Q345B。各材料均采用线性等向强化模型，失效准则采用 Von-Mises 强度准则。起吊副梁各部件材料的性能参数见表 1。表 1 材料属性材料名称弹性模量 E/GPa泊松比 密度/（g/m3）屈服强度 s/MPaQ235B2050.37850235Q345B2050.37850345Q690D2050.37850690起吊副梁网格划分采用 4 节点四面体单元，每个节点有 3 个自由度。起吊副梁单元总数为 43 885，节点总数为 85 148。2.2 边界条件和工况分析起吊副梁与起吊主梁连接形式以及起吊副梁起吊点和承载点位置如图 2。有限元模型处理时，起吊主副梁连接用销轴孔处约束模拟销轴连接，约束全局坐标系 o-xyz 下 x、y、z 方向的三个平移自由度和绕 x 轴、y 轴的旋转自由度。图 2 起吊副梁连接、起吊及承载点位置示意图载荷作用于起吊点位置处，根据实际应用环境和要求，将起吊副梁的典型工况归结见表 2。表 2 典型工况工况123456起吊点位置1-1,1-6;2-1,2-6;3-1,3-6;4-1,4-61-1,1-6;4-1,4-62-1,2-6;3-1,3-61-1,1-6;3-1,3-62-2,2-5;8-1,8-26-1,6-2;7-1,7-22.3 加载载荷本文设计单轨吊用新型低净空起吊副梁的额定起吊载荷为 16 t，自重 0.51 t。工程应用中，考虑物料吊运的平衡稳定性，重物重心位于起吊吊钩所在平面的几何中心上。因此，假设每个吊钩承载重量一致。3 有限元分析结果及讨论基于 Solidworks Simualtion 分析模块，开展起吊副梁静力学和振动学分析。典型工况 1-6 下，起吊副梁的最大 Von-Mises 应力值 max及最大变形量max见表 3。表 3 起吊副梁的最大 Von-Mises 应力值和最大变形量工况123456max/MPa146.8286.1244.9267.9180.3170.0max/mm4.602.226.834.625.808.36由表3可知，起吊副梁最大应力值出现于工况2，分析其应力分布云图可知最大应力值出现于侧梁与主梁焊接处，此处存在应力集中现象。忽略应力集中的影响，起吊副梁在各工况下的最大应力值均明显小于材料屈服极限。新设计起吊副梁的最大变形出现在工况6，最大值为8.358 mm。起吊副梁跨距（起吊主副梁连接销轴孔间的水平距离）3490 mm，两1292023 年第 2 期梁 辉等：新型低净空起吊副梁结构设计及力学性能分析梁 辉等：新型低净空起吊副梁结构设计及力学性能分析者比值为1/425，小于标准 单轨吊车起吊梁（MT/T 888-2000）1/400 的设计要求。忽略应力集中影响，工况 3 的应力值相较于其他工况较高，现给出工况 3 的应力和位移分布云图如图 3。从图 3 可以看出，在其与侧梁连接部位，在双向弯曲载荷的作用下，其应力值较大，约为183.6 MPa。此外，主梁呈现明显的纯弯曲特性，中段弯曲变形最大，最大值 6.83 mm。（a）应力分布云图 （b）位移分布云图图 3 工况 3 下起吊副梁的应力和位移分布云图忽略应力集中影响，对比分析各工况，工况 3下起吊副梁的应力值和变形量相对较高。因此，针对工况 3 进一步分析起吊副梁的承载能力和承载特性，其应力、位移分布云图以及安全系数情况如图4。从图 4 可以看出，当加载载荷增大为 20 t 时，除去应力集中的影响，其应力值均小于229.5 MPa。此外，副梁的最大变形为 8.50 mm，满足工程设计要求。最后，20 t 载荷作用下起吊副梁各部分的安全系数均大于 1.5，满足工程应用需求。考虑起吊副梁采用销轴连接的情况，开展起吊副梁自由振动特性研究。起吊副梁前 4 阶振型及频率如图 5。为便于清晰表述振型特征，图 5 中灰色阴影部分为起吊副梁初始位置状态。此外，起吊副梁最小振动频率为 44.64，最高振动频率为 138.71，为单轨吊起吊梁动力学分析奠定了基础。（a）应力分布云图（b）位移分布云图（c）安全系数分布云图图 4 20 t 载荷作用下起吊副梁承载性能（a）一阶振型，频率 44.64 （b）二阶振型，频率 64.47 （c）三阶振型，频率 112.12 （d）四阶振型，频率 138.71图 5 起吊副梁振动频率及振型4 结论综合考虑单轨吊起吊梁工程应用典型工况、承载要求及现有梁结构存在的问题，本文设计了一种新型矿用单轨吊低净空起吊副梁，较好地解决了现有结构存在的空间占用大、形式单一等问题。基于 SolidWorks Simulation 数值仿真平台对典型工况下新型低净空起吊副梁开展力学性能模拟研究。结果表明：设计载荷作用下，忽略应力集中影响，新（下转第 132 页）1322023 年第 2 期型低净空起吊副梁最大应力为 183.6 MPa，远小于其材料的屈服极限。最大变形量发生于起吊副梁中部，最大位移值为 8.358 mm，其与跨度的比值小于1/400，满足刚度设计要求。此外，新型低净空起吊副梁最大承载载荷为 20 t，在此载荷作用下，材料的安全系数大于 1.5。最后，本研究给出了新型起吊副梁的 4 阶振型和相应频率，为单轨吊起吊梁的动力学分析奠定了基础。（2）定期检查压辊及立辊。机电维护要定期检查压辊立辊是否灵活转动，及时注油润滑。（3）定期检查拐弯处胶带运行状况，如发现大量洒煤或磨带现象，应及时调整压辊及