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门式起重机的运行轨道长度从几十米到几百米不等，运行机构通常采用分布驱动方式，在设计中需要考虑偏斜运行和水平侧向载荷的影响。门式起重机大车行走机构偏斜运行的原因很多，如轨道基础的直线度、吊装载荷的不均匀分布、小车在门架平面内的运行起（制）动、大车行走电机转速的细微差异等等。起重机偏斜运行时的水平载荷是指装有车轮的起重机或小车做稳定状态的纵向运行或横向移动时，发生在他的导向装置上由于导向的反作用引起的一种偶然载荷[1]。

研究水平侧向力载荷的影响对整机设计有重要意义，在设计计算分析时，偏斜运行的原因可分为边界约束条件的不对称和载荷（动力）的不对称。

1 水平侧向载荷

目前水平侧向力的计算方法有系数法和极矩法，系数法虽然有一定的局限性，但计算方法简单且相对安全，目前在国标和许多国际规范中仍大量使用[2]。在实际设计中，门式起重机偏斜运行时的水平侧向载荷Ps可按下式作简化计算

其中：ΣP为门式起重机承受侧向载荷一侧的行走梁上有效轴距有关的相应车轮经常出现的最大轮压之和，不考虑动力效应。

λ为水平侧向载荷系数，与起重机跨度S和起重机基距B（或有效轴距a）的比值有关

MDG 系列门式起重机单侧行走梁为4 组车轮，为计算最大轮压，令小车在支腿侧极限位置处，选取小车满载沿轨道方向制动工况，小车水平惯性力指向刚性腿方向，同时选取风载荷吹向刚性腿方向，此时整机重量G1和惯性力矩Mg和风载力矩Mf都在支腿侧产生最大静态轮压Pimax

式中：G2为小车自重，按照规范要求计算水平侧向载荷Ps，单侧计算轮压之和仅计算最外侧两组车轮轮压2P，有效轴距a，如图1 所示。

图1 MDG门式起重机行走机构示宜图

因水平侧向载荷与单侧轮压有关，而大车方向的制动虽然会影响单个车轮的最大轮压，但不会影响单侧车轮的轮压和值，所以计算水平侧向载荷时不予考虑。对于门式起重机刚性腿和挠性腿侧的最大轮压及水平侧向载荷如表1 所示。

表1 水平侧向载荷计算表

2 载荷组合

门式起重机结构计算B1 工况为在正常工作状态下，正常操作除起升机构外的驱动机构，存在工作状态风载荷影响下的载荷组合。为计算载荷对不同部位的影响，通常在跨中、刚性腿侧、挠性腿侧和悬臂端分别就加载计算[3]。

起重机自重部分取起升冲击系数φ1，起升载荷取动载系数φ2，大车和小车的水平惯性力取水平运行冲击系数φ5。采用有限元软件SAP 进行桁架结构建模加载，模型结构如图2 所示。此时加载位置基本都在门架结构上部，结构边界在支腿底部约束三方向平动自由度和竖直方向的转动自由度。

图2 门式起重机计算模型图

起重机金属结构计算B5 工况为在正常工作状态下，空中悬吊起升载荷，起重机在带坡度的不平轨道上以恒速偏斜运行，有工作状态风载荷影响下的载荷组合。起重机自重起升冲击系数φ1和起升载荷动载系数φ2由轨道运行冲击系数φ4代替，此工况考虑了水平偏斜力的影响，不再考虑由驱动机构加速引起的水平惯性力影响。

3 特殊载荷

当起重机出现严重偏斜运行状态时，不仅对附近部位，而且对整体结构都会产生不利影响。为分析偏斜运行影响程度，选取一种现场电机发生故障时的特殊工况进行模拟校核。起重机大车运行起动过程中，一侧运行机构发生故障未启动，另一侧行走机构在电机作用下产生沿轨道方向的驱动力，而未启动的一侧因为主梁发生扭转产生水平侧向载荷，此二者共同作用在主结构上，出现最不利的非工作载荷组合，设此模拟载荷组合为D1 工况。

模型计算时在一侧加载电机运行驱动力，将另一侧约束静止状态的静摩擦力之下，分别计算刚性腿侧和挠性腿侧运行机构故障的情况，建立模型分析对结构的影响。为体现底部轨道载荷的附加力，将底部约束的平动自由度释放，在支腿底部加载水平侧向力。因挠性腿平面刚性弱于刚性腿，因此选取挠性腿侧加载水平侧向载荷和水平运行惯性力，计算分析其影响。

4 实例分析

考虑由大车运行机构引起的水平惯性力影响。本龙门吊大车运行速度21m/min；折算速度为0.35m/s，查表加速时间4.1s，取加速度0.098m/s2，取得水平惯性力系数φ5（换算重力系数）为

电机选型功率为4kW，数量为4，经计算电机驱动力9 000N 略大于水平惯性力，在模拟D1工况计算时取较大值作为危险载荷代入。

B1 工况，正常工作载荷。结构应力统计表中数值为在不同位置加正常工作载荷时得到的各杆件的最大应力值。B5-1 数据为挠性腿侧小车满载、大车制动时载荷组合工况的应力值。

B5-2 工况水平偏斜力从轨道接触位置产生，但由于支腿底部轮缘与轨道之间平动约束的存在，结构变形被限制在轮缘间隙范围内，因此只影响局部结构。为研究其载荷影响，本工况模型将轨道水平约束放宽，分析对整机结构受力的影响。

D1 工况边界约束条件同B5-2 工况，载荷项目增加了行走电机作用的运行驱动力。各组合工况计算结果如表2 所示。

表2 结构应力统计表

从表2 中计算结果可知，水平侧向载荷作为一种常规载荷，虽然在不同规范中对其取值有差异，但对结构整体影响不大。B5-1 工况结构应力小于B1 组合工况的最大应力值，局部杆件应力增大后仍符合许用应力要求。B5-2 工况与B5-1工况计算结果比较，水平侧向力增大了挠性腿侧附近结构应力，但对刚性腿侧几乎没有影响。在设计起重机时，一般只考虑水平侧向力的局部影响，如行走台车和行走梁。

D1 工况与B5-1 工况计算结果比较，对挠性腿侧应力影响很小，但对刚性腿侧水平腹杆影响较大。此模拟工况下挠性腿的不对称载荷对主梁受力为水平面的悬臂载荷，门式起重机跨度较大，力臂较长，轨道在行走方向上没有约束，因此产生了较大的水平弯矩。刚性腿作为约束端，其根部水平约束反力达到了7×104N，远超规范推荐算法的计算结果。偏斜运行导致在主梁变截面处也产生了较大的局部结构应力。本文计算代入载荷仅为电机正常运行时的驱动力，整机运行起动时大车行走电机有瞬时启动转矩峰值效应，并会产生运行冲击载荷，可能引起结构杆件的应力屈服破坏。

为避免偏斜运行对门式起重机整体结构的影响，GB/T 3811-2008《起重机设计规范》中要求：当门式起重机跨度超过30m 时，需要采用刚性腿加挠性腿的支腿结构；跨度大于40m 的门式起重机和装卸桥应设置偏斜指示或限制装置。现实中单侧电机同时损坏的可能性较小，且电气保护装置会限制出现单侧运行的情况发生，正常工作时不会出现如D1 模拟工况的极限状态。门式起重机两侧支腿运行的同步性要能实现检测反馈，一般运行偏斜量控制在1‰以内；当偏斜量超过3‰时，应立即停车检查[4]。

5 结论

本文通过建立门式起重机有限元分析模型，计算对水平侧向载荷和水平惯性力，并模拟一种故障状态下的极端情况作为特殊载荷组合进行计算起重机的安全性，分析规范制定的原因如下。

1）水平侧向力的产生原因很多，按照规范取值计算得出的水平侧向载荷后，应分析对局部结构的影响，对本文研究结构形式的门式起重机在保障其他载荷组合通过校核的前提下，可以不单计算整机金属结构应力。

2）在D1 工况的极限状态下，由部件故障等原因引起的水平侧向载荷已经远远超过了规范计算的正常值，对整机结构也产生了不可忽略的应力影响，必须采取有效纠偏措施，保障门式起重机的运行安全。

3）门式起重机跨度较大时，采用挠性腿结构和纠偏装置进行控制都会降低运行偏斜载荷对整体结构受力的影响。