懸臂的發(fā)展與優(yōu)化

摘要：當(dāng)前，輕型起重機(jī)競爭越來越激烈，客戶對其要求也越來越高，因此，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，懸臂機(jī)構(gòu)也在不斷進(jìn)行合理優(yōu)化，以使結(jié)構(gòu)更加輕巧，外觀更加美觀，生產(chǎn)成本有效降低，從而在市場上更加具有競爭力。為進(jìn)一步了解懸臂的發(fā)展和優(yōu)化過程，對其經(jīng)歷的幾個階段進(jìn)行了分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：起重機(jī);懸臂;鋁軌;不銹鋼;機(jī)械手

0? ? 引言

起重機(jī)是一種通過起升和移動所吊運(yùn)的物品完成搬運(yùn)作業(yè)的機(jī)械，又稱為“吊車”。其工作特點(diǎn)是做間歇性運(yùn)動，即在一個工作循環(huán)中完成取料、移動、卸載等動作。中國古代灌溉農(nóng)田用的桔槔就是臂架型起重機(jī)的雛形，發(fā)展至今，對于各種類型的起重機(jī)國家都出臺了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，可以說是相當(dāng)完善了。目前起重機(jī)行業(yè)日漸繁盛，逐漸被更多的人所關(guān)注，發(fā)展也越來越迅速，現(xiàn)在中國是世界上最大的起重機(jī)市場。

隨著設(shè)計(jì)軟件和計(jì)算方法的不斷優(yōu)化，各種有限元分析方法的普及，起重機(jī)已經(jīng)從當(dāng)年的“傻大粗”逐漸向“輕小細(xì)”轉(zhuǎn)變，現(xiàn)在我們要求起重機(jī)降低外形高度、簡化結(jié)構(gòu)、減輕自重，這樣可以降低建筑物的高度，使建筑結(jié)構(gòu)輕型化，節(jié)約廠房建造成本。起重機(jī)除了向輕小型發(fā)展外，還在向模塊化、系列化發(fā)展，這樣不僅僅可以提高機(jī)構(gòu)、部件和零件之間的匹配性，還能縮短起重機(jī)的生產(chǎn)周期，并且可以達(dá)到快速更換零件的效果。

目前比較高端的要屬智能起重機(jī)，這種新型起重機(jī)可以自動找重物重心，自動抓取貨物，自動完成重物在產(chǎn)品線的運(yùn)送，目前其主要的研究方向在于安全監(jiān)控和故障診斷、精確定位和智能防擺、遙控技術(shù)、智能防撞以及機(jī)器人化。智能起重機(jī)可以在一些危險系數(shù)高的工況下代替人來完成工作，其不僅可以提高工作效率，而且可以減少安全事故。

本文以懸臂吊為例，先整體做個介紹，然后以懸臂為主要介紹方向，分析它如何一步步地進(jìn)行優(yōu)化，如何向輕小型發(fā)展，如何使結(jié)構(gòu)更加合理，使用更加方便，從而在市場上具備更強(qiáng)的競爭力。

1? ? 懸臂吊概述

懸臂吊屬于輕型起重機(jī)系列，設(shè)計(jì)制造遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《懸臂起重機(jī)》（JB/T 8906—2014），結(jié)構(gòu)比較簡單，由立柱、懸臂、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起重機(jī)構(gòu)以及電氣元件構(gòu)成。市場上一般懸臂吊的立柱主體都采用圓管、方管或者H型鋼，懸臂的結(jié)構(gòu)形式就比較多樣化了，這主要是為了滿足客戶多方面的需求，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大都使用軸承進(jìn)行工作，市面上很多產(chǎn)品都使用電動葫蘆或者氣動葫蘆作為起重機(jī)構(gòu)，電氣元件是為了保證設(shè)備能夠正常運(yùn)作，懸臂吊的固定通常采用預(yù)埋基礎(chǔ)或者大底板實(shí)現(xiàn)。

2? ? 懸臂發(fā)展的初級階段

剛開始懸臂吊都是仿照蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)，當(dāng)時國內(nèi)主要都是以工字鋼為主梁，由于工字鋼的特性，寬度比較小，導(dǎo)致其水平慣性矩都比較小，所以當(dāng)設(shè)備有較大水平力的時候就會有很大的水平偏移，也就是設(shè)備使用過程中的抖動比較大。還有一點(diǎn)就是，工字鋼的寬度較小會導(dǎo)致葫蘆行走時局部應(yīng)力比較大，容易造成應(yīng)力超過許用應(yīng)力，設(shè)備存在危險，這類懸臂就需要進(jìn)行翼緣的局部加強(qiáng)。盡管存在這樣的不足，但由于工字鋼是市面上的常用型材，采購比較方便，相比于非常規(guī)型材的生產(chǎn)，采用工字鋼可以縮短設(shè)備的制作周期。

針對工字鋼水平慣性矩比較弱的缺點(diǎn)，此類懸臂吊發(fā)展出了一種工字鋼包梁，如圖1所示，它由U型梁、側(cè)板、工字鋼三部分組成，從結(jié)構(gòu)就可以看出，設(shè)計(jì)者可以通過控制包梁高度控制垂直慣性矩，通過控制包梁的寬度來控制水平慣性矩，這樣我們就可以設(shè)計(jì)較大規(guī)格的懸臂吊。

包梁確實(shí)可以使設(shè)備的使用范圍增大，但是我們設(shè)計(jì)包梁的時候通常會在靠近立柱的那側(cè)設(shè)計(jì)一個強(qiáng)有力的支撐板用來改善受力，由于此支撐板的存在我們的內(nèi)盲區(qū)（靠近支撐板那側(cè)）就會偏大，導(dǎo)致葫蘆的運(yùn)動范圍變小，并且此包梁還有兩個我們不得不考慮的問題：一個是包梁的制作工藝比較復(fù)雜，焊接長度更長，工藝更加繁瑣，需要保證的制作尺寸更多;另外一個就是包梁組成部分較多，重量也就大，設(shè)備就會顯得更加笨重。

針對這些我們設(shè)計(jì)了桁架式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其屬于斜拉式結(jié)構(gòu)，上部分的斜拉可以很好地減少懸臂的整體變形，并且對改善應(yīng)力也有很大的幫助，但是上部分這種結(jié)構(gòu)在懸臂中間增加了很多斜撐，此部分屬于力學(xué)結(jié)構(gòu)中的超靜定結(jié)構(gòu)，計(jì)算比較復(fù)雜，如果每次設(shè)計(jì)都進(jìn)行如此大量的計(jì)算，很明顯不合適，所以就需要用合適的工具進(jìn)行優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)很明顯懸臂重量大大減輕，看起來輕巧得多，而且受力也好很多，但這種結(jié)構(gòu)由于主體還是采用的工字鋼，并且還是小規(guī)格的，因此還是會存在水平方向受力比較弱的缺陷。再者，它屬于斜拉式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)做出來的設(shè)備，同等起升高度下總高會比下支撐的要高出不少，所以是否采用這種結(jié)構(gòu)，對于現(xiàn)場高度存在限制的工況要慎重考慮。

3? ? 懸臂發(fā)展的第二階段

由于工字鋼寬度較小的特性，我們急需在市場上找到一個替代的產(chǎn)品，我們發(fā)現(xiàn)H型鋼種類更多，并且H型鋼下翼緣的可選性更大，它不僅形狀更加規(guī)則，而且下翼緣的厚度也厚得多，葫蘆小車行走時不容易發(fā)生應(yīng)力集中，設(shè)備的安全性也更高。另外，以前使用的工字鋼包梁也完全被摒棄，改而采用全新的歐式箱型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

與傳統(tǒng)的包梁比較，箱型結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)非常簡單，就是由4塊板材拼接而成，自重輕，4塊板材全部采用國內(nèi)通用板材，材料利用率高，可采用半自動焊接，焊接效率高，焊道更加工整美觀，但是箱型梁不像H型鋼或者工字鋼是一次成型，屬于焊接而成，因此會存在板材平面翹曲，導(dǎo)致主梁彎曲過大或者彎曲過小，故而其對焊接工藝和焊接經(jīng)驗(yàn)要求都會比較高一些，但是從成品來看箱型結(jié)構(gòu)比起包梁結(jié)構(gòu)還是很有競爭優(yōu)勢的。

對于桁架式結(jié)構(gòu)我們也可以進(jìn)行改進(jìn)，在起重量不大、臂長不長的情況下，懸臂直接用一個斜拉桿就可以起到相應(yīng)的支撐作用。老式的那種桁架式結(jié)構(gòu)，我們可以用Ansys有限元軟件進(jìn)行分析，對于圖4所示兩根斜拉桿的結(jié)構(gòu)和圖2所示的老式結(jié)構(gòu)，兩者分析下來可以發(fā)現(xiàn)懸臂的變形量相差很小，應(yīng)力差得也不多，而老式結(jié)構(gòu)可能會存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且老式結(jié)構(gòu)由于支撐都是用槽鋼制作，邊角很多位置焊接不易，容易產(chǎn)生飛濺，焊道不美觀，新式結(jié)構(gòu)的斜拉桿都是用扁鐵制作，屬于直線焊縫，焊接難度低，焊縫質(zhì)量容易保證，但是這種結(jié)構(gòu)還是不可避免地存在同等起升高度設(shè)備總高偏高的現(xiàn)象。

4? ? 懸臂發(fā)展的第三階段

隨著近階段汽車行業(yè)與食品行業(yè)的發(fā)展，客戶對于設(shè)備的清潔度要求進(jìn)一步提高，對鋁合金及不銹鋼材料的需求也在慢慢增加，懸臂材質(zhì)已經(jīng)從鐵向鋁或不銹鋼慢慢轉(zhuǎn)變，雖然說懸臂主體是鋁型材，但是懸臂上還是會有一部分鐵件存在，這樣就不能采用焊接工藝了，此狀態(tài)下的懸臂不管是下支撐的還是斜拉式的，都會采用銷軸或者螺栓進(jìn)行連接。我們所指的鋁型材不是常規(guī)的鋁方管，而是某些廠家特地定制的鋁軌道，此軌道兩側(cè)都有相應(yīng)的凹槽（圖5），并且軌道下部分是開口的，以便小車在其中行走，葫蘆也可以很方便地掛于小車之上。鋁型材和小車塑料車輪的摩擦系數(shù)特別低，因此行走的摩擦力特別小，使用起來特別輕巧，小車在懸臂中行走的噪聲更小，使用壽命更長。

常規(guī)意義的斜拉由于都是焊接成型的，因此如果懸臂上翹或者下垂得比較厲害，行走在軌道上的小車就容易溜車，焊接式的懸臂為了保證不溜車通常會專門設(shè)計(jì)一套焊接工裝來保證尺寸。而鋁軌系列斜拉桿（圖6）是由型材與絲桿組合而成，這種組合可以通過絲桿調(diào)節(jié)斜拉桿的長度，可以更好地保證設(shè)備最終安裝完畢之后懸臂的水平。但是由于這種機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，有較多的加工件，因此從成本上來說還是較高的，不過其使用體驗(yàn)肯定要好得多。

5? ? 懸臂發(fā)展的第四階段

目前隨著客戶需求的變化，更多種類的懸臂衍生了出來，比如折臂式的懸臂，此類結(jié)構(gòu)不用的時候可以折疊收納，節(jié)省空間;比如鋼絲繩葫蘆的后置懸臂，這種結(jié)構(gòu)可以減小懸臂型材的型號，結(jié)構(gòu)更加輕巧，成本更低;還有伸縮式的懸臂，這種結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。除了電動葫蘆與懸臂的組合，越來越多的客戶開始使用氣動葫蘆或者氣動平衡吊，還有各種智能懸臂可以滿足不同客戶的不同需求。針對汽車生產(chǎn)線自動化要求特別高的情況，懸臂衍生了一個特殊分支——機(jī)械手，此類懸臂可以滿足客戶的各種自動化要求，基本上可以做到一個指令完成一整套動作，實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)。

6? ? 結(jié)語

針對常規(guī)輕型起重機(jī)中的懸臂吊，本文著重對懸臂的發(fā)展和優(yōu)化歷程進(jìn)行了介紹，其實(shí)懸臂的發(fā)展過程也就是我們對其不斷進(jìn)行優(yōu)化的一個過程，其一步一步地從“傻大粗”逐步向“輕小細(xì)”轉(zhuǎn)換，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)的功能也越來越多，可以更多地滿足不同客戶的不同需求。智能化是將來設(shè)備發(fā)展的必然趨勢，懸臂也必然要往這個方向發(fā)展，只有滿足客戶的需求，符合市場發(fā)展規(guī)律，做出結(jié)構(gòu)更加輕巧、價格更加低廉的設(shè)備，才能順應(yīng)時代的潮流，更加具有競爭力，不被市場所淘汰。

收稿日期：2020-03-23

作者簡介：季彬（1986—），男，江蘇泰州人，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。