桥式起重机偏轨主梁轻量化设计及稳定性分析

【摘 要】针对桥式起重机偏轨主梁的结构形式、梁内横隔板的布置方式、小车运行用轨道形式，以及主梁材质的选择、静刚度的取值方面进行轻量化设计。并通过对偏轨主梁局部稳定性问题进行分析，从横隔板间距布置、结构形式及主腹板厚度方面进行探讨，进一步实现了对偏轨主梁轻量化设计的目的。

【关键词】桥式起重机 偏轨主梁 轻量化 设计 局部稳定性

对于桥式起重来说，主梁是其重要承载部件，也是起重机自重所占比例最大的部件。一般主梁的重量占起重机总重的60%-70%，所以主梁的轻量化设计是起重机轻量化设计的重要部分。目前，我国的起重机械大多采用古典力学和一些基本的数学模型作为设计手段，对主梁的设计还基本处于一种半经验半理论状态，设计过程反复多，周期长，精度低，致使设计出来的起重机重量大，外形尺寸大，材料利用率低，造成资源上的浪费。对起重机械采用轻量化设计可以使其结构更加紧凑，机构简单轻巧，并能使各机构性能和可靠性增加。另外，在节约材料，降低起重机总重，减小起重机轮压和降低厂房建筑高度，降低厂房造价等方面优点突出。

1 偏轨主梁的轻量化设计

1.1 采用窄翼缘偏轨主梁的结构形式

从结构形式上来说，窄翼缘偏轨箱型主梁结构相对简单，焊接变形小，制造工艺简单，方便实施自动焊接，抗扭转性能强，所以窄翼缘偏轨主梁可以做大批量生产。在国内，桥式起重机主梁的结构形式大多为正轨或中偏轨形式。自从以科尼和德马格为代表的国外起重机进入中国市场以后，其偏轨主梁的结构形式被国内认可并逐步发展，致使越来越多的起重机生产厂家采用偏轨箱型梁。与正轨和中偏轨主梁相比，偏轨主梁因小车轮压在主腹板上方，箱体宽度方向的上盖板不承受小车轮压传递的压应力，所以可以取消箱体内部小横隔板，从而可以减少主梁上盖板与横隔板的焊缝数量，容易控制制造过程中的主梁焊接变形和波浪变形。从结构静强度条件许用应力：，即，其中截面抗弯模量：.代入得：所以对于箱型主梁来说，在抵抗垂直平面内的弯曲变形时，采用窄翼缘箱型梁可得到更高的抗弯强度。另外，因主梁为偏轨结构，在主梁上盖板宽度方向小车占用较少，主梁上盖板可以当做人员通道使用，不再单独设置通道，简化附件设计，也可减轻起重机自重。所以，采用窄翼缘偏轨主梁可以达到主梁轻量化的目的。

1.2 轻量化主梁横隔板布置

因偏轨箱型主梁的主腹板承受所有小车车轮传递的压力，不同于中轨箱型梁，需要小横隔板支撑上盖板并将小车车轮轮压通过小横隔板传递给整个主梁的箱型结构，所以偏轨主梁可以取消小横隔板来进行轻量化设计。

1.3 小车轨道形式的变化

在桥式起重机设计过程中为降低整机高度，小车钢轨均采用方钢。在正轨或中偏轨起重机主梁上布置的供小车运行用的钢轨均为起重机专用轨道或P型钢轨，钢轨重量大。主梁固定形式采用压板固定，钢轨与主梁为分体结构形式，所以钢轨不能参与主梁刚度和强度计算。且钢轨底面与主梁上翼缘板接触面较宽，在采用压板固定时需将主梁上翼缘板外伸部分加宽用来固定钢轨压板，在翼缘板外伸部分的下方需增加三角板做支撑，以抵抗翼缘板焊接和承压变形，这样会使主梁截面及重量进一步增加。如采用方钢作为小车运行的轨道，采用焊接形式固定，方钢本身可以参与主梁刚度和强度的计算，减少主梁材料的使用，也可减小主梁上翼缘板的宽度，且不需要三角板支撑外伸的主梁上翼缘板。以德马格和科尼为代表的国外先进起重机厂家，在桥式起重机主梁的设计上均采用焊接轨道的偏轨主梁结构形式，并将方钢作为主梁一要素参与强度和刚度的计算，使主梁高度降低，截面尺寸相对减小，桥架结构尺寸相对减小，达到对主梁轻量化设计的目的。

2 主梁用材的选择

通常情况下，通用桥式起重机主梁的材料均为Q235，而轻量化设计后偏轨主梁材质按不同的情况有Q235和Q345两种。在满足静强度、静刚度、高跨比范围和疲劳强度等控制条件下，以主梁轻量化为目的，进行结构材料的选取。在通过对两种材料的主梁进行计算后，在符合各项控制数值的情况下，主梁用材的选取情况可依照以下：

（1）起重机工作级别在A5以下的桥式起重机。（2）额定起重量在50t及以下的，采用两种不同的材料计算出的主梁的各项指标相差很小，且主梁强度在100-130Mpa，根据这两种材料的价格因素考虑，所以选用Q235。（3）定起重量在50t以上，若材料采用Q345，主梁重量平均可降低13%，所以选用Q345。（4）起重机工作级别在A5及以上时。因工作级别在A5及以上时，结构应进行疲劳强度计算，疲劳许用应力为140-150 Mpa。采用Q235和Q345时计算结果发现主梁重量差别很小。但考虑板材价格问题，所以选用Q235。

通过对Q235和Q345两种材料进行细化对比，灵活合理的选用材料，可一定范围内的降低主梁重量，达到对偏轨主梁进行轻量化的目的。

合理选择主梁的静刚度：按照GB/T3811-1988版本《起重机设计规范》的要求，起重机静刚度是根据起重机工作级别等级进行划分的，缺乏科学性。修订后的GB/T3811-2008版本的《起重机设计规范》对静刚度要求进行了重新规定：对低定位精度要求的起重机，或具有无极调速控制特性的起重机；采用低起升速度和低加速度能达到可接受定位精度的起重机：使用简单控制系统能达到中等定位精度特性的起重机：需要高精度定位的起重机：新的设计规范将主梁的静刚度与起重机的控制系统和定位精度向关联，体现了新的设计理念，同时也指引了起重机主梁轻量化设计的方向。随着起重机技术的发展，代表起重机先进控制技术的变频电控技术成熟运用，很大程度上提高了定位精度，并减少了动态冲击，所以在采用变频控制时，主梁的刚度控制在不大于S/750即可，这样可充分利用金属结构材料，达到对起重机主梁轻量化设计的目的。

3 稳定性分析

主梁是起重机重要的承载部件，起重机主梁的局部稳定性破坏是主梁失效的主要形式之一，主梁的局部稳定性问题主要针对主梁盖板及腹板局部因受压，使盖板或腹板承载能力逐步减弱，致使应力重新分配造成应力集中，并超过强度破坏极限，导致局部失稳并引发主梁整体破坏。在偏轨主梁稳定设计中，其箱体内横隔板和加筋的布置数量及位置设置至关重要。

3.1 轻量化偏轨主梁横隔板的布置方式

在普通的桥式起重机主梁中，横隔板的设置一般在1m左右，根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》中的规定，设置横向加筋时，a=（0.5-2）b，且不大于2m，其中a为隔板间距，b为主梁腹板高度。在主梁轻量化设计时取规范中要求的最大值，即取a=2m，来布置横隔板位置。由此一来，主梁内部横隔板的数量减少，在主梁整体重量上实现了轻量化设计的目的。另外，主梁横隔板的减少的同时横隔板与主梁上盖板的焊缝也相对减少，主梁在生产制造过程中的热变形容易得到控制，并减少了焊接带来的应力集中和疲劳破坏的可能性。

3.2 轻量化偏轨主梁横隔板的结构形式

如图1所示，主梁横隔板与主梁上盖板和两腹板焊接，与下盖板之间留有50mm的间隙，为减轻横隔板重量，横隔板的中间可开跑道型过度孔。为避免焊缝交叉和应力集中，在横隔板与主梁盖板和腹板焊缝处的节点倒圆角，一般不小于R35，这样可以提高横隔板的承载力并具备良好的延伸性。横隔板在纵向加筋位置的开孔为矩形且沿主梁箱体中心对称分布。

在GB/T3811-2008《起重机设计规范》中有关于主梁内部横隔板厚度的计算，规范中与GB/T3811-2008《起重机设计规范》和起重机设计手册中出现的公式存在差异，原规范要求板厚为：而现行的GB/T3811-2008《起重机设计规范》中对横隔板板厚计算公式为： 式中：σs：材料的屈服强度数值；

上述公式中体现了材料性能对板厚度的影响，计算较为合理。

3.3 轻量化偏轨主梁主腹板板厚的选择

因小车轮压全部作用在主腹板正上方的小车轨道上，车轮压力通过方钢轨道和上盖板传递到主腹板，主腹板和上盖板的焊缝采用全熔透等强度焊缝，所以主腹板上缘所承受的局部压应力为：，其中P为小车轮压，c=2hy+50，hy为轨顶至梁腹板上边缘计算点的距离；板的板厚为： 并要求所以主腹板厚度的选择与小车轮压、轨道高度及上盖板的厚度相关，且不能超过需用应力要求。

4 结语

本文主要探讨了桥式起重机偏轨主梁结构轻量化设计的问题，从主梁的结构、材料、轨道、静刚度以及稳定性控制方面进行研究探讨，对桥式起重机偏轨主梁进行轻量化设计，从而推进了桥式起重机偏轨主梁向轻量化、节能型方向发展。

参考文献：

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