淺談起重機的設(shè)計與制造

郭學(xué)玲

摘 要：起重機作為一種高科技機械設(shè)備，在現(xiàn)代化經(jīng)濟發(fā)展中的作用越來越突出，它有多種分類，每種分類的功能和特性也是各具特色。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，起重機的應(yīng)用技術(shù)不斷在改進，更新?lián)Q代的速度也在加快，并應(yīng)用于更廣泛的科技領(lǐng)域。在高科技背景下，起重機的設(shè)計與制造更應(yīng)該注重動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計，以延長起重機的使用壽命和提升其社會價值。

關(guān)鍵詞：起重機；設(shè)計與制造；動態(tài)性能

1 起重機的基本知識

1.1 起重機的分類

起重機的分類主要按其性質(zhì)、構(gòu)造和性能來進行分類，根據(jù)起重的性質(zhì)來分，則分為塔式起重機、流動式起重機和桅桿式起重機；若按其構(gòu)造和性能來進行劃分，則一般可分為臂架類型起重機、輕小型起重設(shè)備、纜索式起重機和橋式類型起重機械，臂架型起重機有汽車起重機、固定式回轉(zhuǎn)起重機、履帶起重機、塔式起重機、輪胎起重機等；輕小型起重設(shè)備一般包括千斤頂、卷揚機、電動葫蘆、氣動葫蘆、平衡葫蘆等；纜索式起重機有升降機等；橋架型起重機主要有龍門起重機和械梁式起重機。

1.2 起重機的運行結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式

起重機的運行機構(gòu)主要采用四個主動、從動車輪，若起重量過大，通常采取增加車輪的方法來降低輪壓；如果車輪超過四個時，則起用鉸接均衡車架設(shè)備，以便于將起重機的載荷平均分布在每個車輪上。主梁和端梁組合構(gòu)成起重機的金屬結(jié)構(gòu)，主梁一般分為兩類，一類是單主梁橋架，是由單根主梁與起重機跨度兩邊的端梁組合而成，另一類則是雙梁橋架，它是由兩根主梁和端梁構(gòu)成的。起重機的驅(qū)動方式主要有集中驅(qū)動和分別驅(qū)動兩大類，集中驅(qū)動是指通過一臺電動機的動力來帶動長傳動軸兩邊的主動車輪；而分別驅(qū)動則是指，兩邊的主動車輪分別采用一臺電動機來驅(qū)動。中、小型起重機一般運用由減速器、制動器和電動機組合而成的驅(qū)動方式，而大起重量的起重機通常采用萬向聯(lián)軸器的驅(qū)動裝置，主要因為萬向聯(lián)軸器進行安裝和調(diào)整時比較便捷。

2 起重機的設(shè)計與制造

2.1 起重機設(shè)計應(yīng)考慮的技術(shù)參數(shù)

機械的技術(shù)參數(shù)代表了某個設(shè)備的工作能力，也就是設(shè)備的設(shè)計要求。起重機的技術(shù)參數(shù)跟其他機械設(shè)備的技術(shù)參數(shù)一樣，都是新產(chǎn)品設(shè)計中最重要和最基本依據(jù)，也是最能體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)備的工作能力的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)[1]。絕大部分起重機的技術(shù)參數(shù)都類似，主要包括起重量、起升高度、跨度、變幅和機構(gòu)工作速度等，臂架類型起重機較為特殊，其技術(shù)參數(shù)除了一般起重機應(yīng)有的技術(shù)參數(shù)以外，還包括起重力矩，對于履帶、輪胎、鐵路、汽車等起重機，曲率半徑和爬坡最小半徑也是主要的技術(shù)參數(shù)。在起重機的設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮這些技術(shù)參數(shù)的設(shè)計，以便提高起重機的性能。

2.2 起重機制造材料的選取與確定

起重機材料的選擇關(guān)系到整個機器設(shè)備質(zhì)量的高低與好壞，不同材料的搭配與組合也同樣影響著起重機的制造與應(yīng)用，只有在最優(yōu)組合的材料搭配下制造的起重機才能發(fā)揮其最大價值。起重機結(jié)構(gòu)材料的選擇，一般按照起重機的機構(gòu)和結(jié)構(gòu)的安全要求、載荷狀態(tài)、經(jīng)濟合理、利用等級等因素來進行選擇，另外還須考慮結(jié)合起重機的跨度、起重量和起重高度，根據(jù)起重機的特性具體分析，通過科學(xué)的研究和精確的計算后，再確定起重機制造最合適的材料。

2.3 起重機結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其重要性

在機械設(shè)計中，最核心、最重要的部分的就是機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計。機械的結(jié)構(gòu)是其性能的基礎(chǔ)，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以直接體現(xiàn)該產(chǎn)品的性能，而一個機械產(chǎn)品的使用性能是否能夠達到使用者的要求，是一個產(chǎn)品設(shè)計成功與否的關(guān)鍵性因素，如果缺乏科學(xué)合理有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計，也就不可能使產(chǎn)品符合相關(guān)的性能要求；機械產(chǎn)品的制造主要面對的是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，為了使產(chǎn)品質(zhì)量得以提高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常都會對其結(jié)構(gòu)進行計算、實驗和分析，同時也是為了結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量；機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計貫穿在機械設(shè)計的整個過程，耗費的時間和精力也是最大的，并且在一定程度上可以決定設(shè)計的成??；在結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往還需考慮制造工藝、技術(shù)應(yīng)用，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個機械性能好壞的重要條件[2]。

3 起重機的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計

3.1 動態(tài)設(shè)計的重要性

動態(tài)優(yōu)化設(shè)計作為一種新興技術(shù)，涉及到的學(xué)科比較廣泛，對起重機進行動態(tài)設(shè)計主要是為了準(zhǔn)確預(yù)測機械的動態(tài)特性。目前起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計大部分都是靜態(tài)設(shè)計，靜態(tài)設(shè)計的主要衡量指標(biāo)是靜強度和靜剛性，盡可能地取最大的安全系數(shù)，來保證起重機結(jié)構(gòu)的使用性能，但是這樣的設(shè)計會致使機械自重大，過于笨重，同時耗費的材料也多，經(jīng)濟損失大，而且機械性能也未必能得以提高，所以應(yīng)進行動態(tài)設(shè)計來優(yōu)化機械的性能。通過動力學(xué)分析對系統(tǒng)進行模態(tài)分析和載荷的動力分析，把有關(guān)的約束條件和目標(biāo)函數(shù)用相應(yīng)的設(shè)計變量表示出來，對于一些難以表達的動態(tài)性能變量，采用相關(guān)的方法對數(shù)據(jù)通過建模分析，來進行動態(tài)設(shè)計。

3.2 動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計的目的

起重機在各種工程建設(shè)，尤其是在現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展中最主要的施工機械。起重機在運行過程中，各種機構(gòu)的頻繁運行和制動，加上復(fù)雜的混合運動，使得起重機的結(jié)構(gòu)承受著強烈的沖擊和振動，導(dǎo)致起重機的衰減振動加速；衰減振動會影響到產(chǎn)品的工作效率、可操作性和舒適性，并導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[3]。在現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)中，對起重機結(jié)構(gòu)起重量、高度、幅度等方面的要求越來越高，這就必然導(dǎo)致起重機結(jié)構(gòu)的大型化，而大型機械受動載荷振動的影響大。雖然隨著高強度鋼材的應(yīng)用，能夠有效地減輕起重機結(jié)構(gòu)的自重，但是未能達到機械結(jié)構(gòu)本身應(yīng)達到的穩(wěn)定性和運作強度。對起重機進行動態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計，可以使高性能機器在運作時降低其振動，在機械的設(shè)計階段對其動態(tài)性進行預(yù)測，以便提前做好預(yù)防工作，避免機械的過度振動和共振強度，提高穩(wěn)定性，降低機械的振動水平，提升整個機器的工作性能。

3.3 動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計的方法與步驟

起重機結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計的處理方法主要包括“逆問題”與“正問題”兩大類?！澳鎲栴}”指的通過反求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計變量，對已經(jīng)給定的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行分析；而“正問題”則是按照產(chǎn)品實際結(jié)構(gòu)可變更的設(shè)計方案，對設(shè)計參數(shù)進行修改，并快速分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計的步驟是，先建模、收集數(shù)據(jù)進行分析、選擇優(yōu)化參數(shù)、優(yōu)化變量參數(shù)、再采用科學(xué)的優(yōu)化方法進行優(yōu)化分析，最后對結(jié)果進行處理。

4 結(jié)束語

起重機的設(shè)計與制造關(guān)鍵在于設(shè)計，尤其是在高性能、高效率的要求下對產(chǎn)品動態(tài)性能的設(shè)計要求也就越來越高，所以在進行產(chǎn)品設(shè)計時，為了提高產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性，尤其要注重機械動態(tài)性能的優(yōu)化。

參考文獻

[1]徐磊.6噸船用起重機設(shè)計與分析[D].哈爾濱理工大學(xué)，2012.

[2]崔云強.組合式塔式起重機設(shè)計及制造[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]龍樹.塔式起重機結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[D].東北大學(xué)，2008.