橋式起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計

黎偉新

摘 要：我國的橋式起重機設(shè)計雖然起步較晚，但這些年我國的起重機設(shè)計在新材料、新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)下正步入高速發(fā)展的快車道，橋式起重機的結(jié)構(gòu)得到充分優(yōu)化，并逐步呈現(xiàn)出小型化、輕量化和智能化的發(fā)展趨勢，本文將從橋式起重機的模塊化設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化概念等入手，對橋式起重機的主梁、小車等主要構(gòu)件通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)輕量化設(shè)計進行詳細的闡述，希望通過本文能夠給同行一些借鑒。

關(guān)鍵詞：橋式起重機;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;輕量化;設(shè)計

隨著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，起重機械作為現(xiàn)代工業(yè)中的“大力士”，在冶金、物流等國家重要的工業(yè)行業(yè)被大量使用，在國家裝備制造中發(fā)揮著舉足輕重的作用。這其中橋式起重機是最為常用的一種起重設(shè)備，被廣泛的安裝在大型的廠房內(nèi)，我國的橋式起重機設(shè)計雖然起步較晚，但這些年我國的起重機設(shè)計在新材料、新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)下正步入高速發(fā)展的快車道，橋式起重機的結(jié)構(gòu)得到充分優(yōu)化，并逐步呈現(xiàn)出小型化、輕量化和智能化的發(fā)展趨勢，本將主要就橋式起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計展開論述[1]。

1 有關(guān)橋式起重機設(shè)計所需的技術(shù)和方法

1.1 橋式起重機的模塊化設(shè)計

自從模塊化設(shè)計在世紀初的德國被提出后，被各種行業(yè)借鑒，同樣也在橋式起重機設(shè)計的到應(yīng)用。橋式起重機的模塊化設(shè)計就是將復雜的橋式起重機分解為易于通用互換的部件或模塊，最大限度的滿足用戶的和市場的需求，同時又由于模塊的相對獨立性使的設(shè)計更加簡潔大大節(jié)省設(shè)計費用，又由于部件或模塊的可互換性大大節(jié)省了零部件的生產(chǎn)，最終節(jié)省了生產(chǎn)成本。起重機行業(yè)的龍頭德馬格公司將模塊化設(shè)計方法用到單梁吊車的設(shè)計中，使單梁吊車的設(shè)計費用比原先降低了生產(chǎn)成本為原先70%。橋式起重機的模塊化設(shè)計是將橋式起重機按照功能分為：控制模塊、起升模塊、運行模塊、吊鉤滑輪模塊、橋架模塊和小車架模塊等六個模塊?？刂颇K主要包括起重機的控制設(shè)備和控制軟件。起升模塊包括起升電動機、減速器、起升制動器和鋼絲繩卷筒組;運行模塊包括走行車輪組、走行制動器、電動機、減速器和緩沖器;吊鉤滑輪模塊包括吊鉤、橫梁、滑輪組和安全模塊;橋架模塊包括主梁、端梁和附屬結(jié)構(gòu)[2]。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化法就是通過對工程對象按結(jié)構(gòu)進行細分形成變量并優(yōu)化，實現(xiàn)對工程對象目標化設(shè)計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化法按照優(yōu)化變量的種類分為三種：拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。

拓撲優(yōu)化一般在設(shè)計的概念設(shè)計階段，主要是對起重機的原理和技術(shù)的進行全新的優(yōu)化。

形狀優(yōu)化一般發(fā)生在起重機的基礎(chǔ)設(shè)計階段，主要是按照客戶或市場的需要進行起重機的總體、設(shè)備的選型、材料成本的設(shè)計。

尺寸優(yōu)化一般發(fā)生在起重機的詳細設(shè)計階段，主要是總體起重機的框架設(shè)計結(jié)束后，具體對某一部件進行具體結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計。今天本文也主要是從現(xiàn)狀和尺寸優(yōu)化兩個角度出發(fā)。

1.3 輕量化設(shè)計

輕量化設(shè)計就是通過設(shè)計在工程對象功能和要求得到保證的前提下實現(xiàn)其的自重和零部件的輕質(zhì)，使其重量和成本達到最優(yōu)狀態(tài)。它主要是通過輕量化材料、輕量化設(shè)計和輕量化制作技術(shù)來實現(xiàn)。

橋式起重機的輕量化設(shè)計主要集中在對橋架、小車和吊鉤模塊中進行。

2 橋式起重機的的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計

2.1 橋式起重機的橋架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計

橋架是橋式起重機的重要構(gòu)件，它的重量占橋式起重機總重的60-70%，因此對橋式起重機的橋架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)輕量化，對于起重機總體的輕量化起著關(guān)鍵性作用。

橋架做為起重機的關(guān)鍵部件其中主要構(gòu)件就是主梁，主梁結(jié)構(gòu)有單主梁和雙梁橋架兩類。單主梁橋架由單根主梁和位于跨度兩邊的端梁組成，雙梁橋架由兩根主梁和端梁組成。主梁與端梁剛性連接，端梁兩端裝有車輪，用以支承橋架在高架上運行。主梁上焊有軌道，供起重小車運行。

主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計從最初的箱型結(jié)構(gòu)，發(fā)展到四桁架式結(jié)構(gòu)，最后發(fā)展空腹桁架結(jié)構(gòu)。

空腹桁架結(jié)構(gòu)中最為常用的是偏軌箱形主梁，在設(shè)計上主要由工字形鋼梁做為主腹板，另外3塊副腹板形成一個空腹桁架，在桁架內(nèi)部加以筋板，在橋式起重機的主梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計，其實質(zhì)上是對腹板及筋板的設(shè)計優(yōu)化，其中較多方法是通過數(shù)學算法對加筋板的位置進行優(yōu)化布置實現(xiàn)不均勻密度，同時將筋板使用實現(xiàn)最小化，并在腹板和筋板上開以減重孔。其中主要有幾種優(yōu)化方法[3]。

2.1.1 副腹板改用三角形腹桿

無縫鋼管由于其中空的特性，其重量遠低于實行的鋼條，同時機械強度與相同直徑的實心鋼柱非常接近，同時抗彎曲、抗扭強度優(yōu)于平面鋼板，基于上述無縫鋼管的優(yōu)點，將主梁金屬結(jié)構(gòu)的副腹板處改用帶豎桿的三角形腹桿體系代替，且無縫鋼管周邊無接縫的平板鋼材有較強的穩(wěn)定性。在無縫鋼管三角形腹架設(shè)計中，要充分考慮各個桿的節(jié)點受力情況，由于三角形腹架不同于連續(xù)平直的平面腹板，其節(jié)點應(yīng)力較為集中，所以在設(shè)計上要做到簡單緊湊、過渡平穩(wěn)。在三角形腹架中的斜桿傾角一般采用45°，這樣可以實現(xiàn)節(jié)點平均分布配置，兩邊桿件對稱于主梁的中心位置。相連桿件的軸線的交匯點為節(jié)點的中心。為使得傳力均勻應(yīng)在設(shè)計中考慮加設(shè)節(jié)點板，節(jié)點板的厚度和剛性要滿足應(yīng)力傳導的要求。在無縫鋼管選擇上，要采用壁厚大于4mm一次成型的無縫鋼管，而非卷板焊接管。具體二維圖形如圖1。

2.1.2 副腹板采用波形腹板

波形腹板就是將平面的直腹板改為波形結(jié)構(gòu)，從而增加腹板的承載面積，減少其他筋板的使用，實現(xiàn)主梁的輕量化。

在箱形主梁腹板主要受兩個方面的作用，一個是平面壓力，另一個是彎矩載荷作用，其中平面壓力最大。在平面壓力負載相同條件下，平面腹板的承載面積就是腹板的厚度乘以腹板長度，而波形腹板的承載面積是波形的波幅乘以主梁的長度。在輕量化設(shè)計時可以考慮將原來一側(cè)的平面腹板改為波形腹板。同時減少了兩側(cè)同時使用波形腹板由于波形相位不同造成主梁水平方向上產(chǎn)生扭曲變形[4]。

2.1.3 減重孔的開孔形狀

為最大限度的實現(xiàn)輕量化，可以在主支撐筋板上非重要區(qū)域增加減重孔，減重孔設(shè)計為正方形而非圓形，因為圓形同等面積下接觸面最小，不利于減重，為減少減重孔應(yīng)力的集中，將正方形的直角改為圓弧角，減重孔的位置要符合主梁優(yōu)化的構(gòu)造，不宜在腹板邊緣進行開孔，開孔要注意孔與孔之間的距離。

2.1.4端梁的優(yōu)化設(shè)計

在端梁的優(yōu)化中，主要是采用鉸接端梁的結(jié)構(gòu)形式，將大車的車輪數(shù)量增加，減小輪子的直徑，可以大大降低橋架的高度，再者如果起重噸位小，可以采用單梁，主端梁連接采用定位塊+高強度螺栓塔接，安裝裝配時易于調(diào)整[5]。

2.2 橋式起重機的小車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計

在模塊化設(shè)計中小車是起升模塊和運行模塊兩部分組成，其結(jié)構(gòu)包括起升機構(gòu)、運行機構(gòu)和小車架組成。

2.2.1 對小車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在前些年小車架多采用多根橫梁與兩端梁焊接成剛性結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)造體積大而且笨重，同時由于是焊接，在各焊接口其金屬疲勞壽命直接關(guān)系到起重機的安全性，而且容易出現(xiàn)出現(xiàn)輪壓分配不均、車輪三點著地的狀況，這對安全作業(yè)十分不利。新型的小車架采用模塊化設(shè)計，將車輪梁與滑輪梁進行分別加工，兩者之間再通過螺栓連接，此種形式的小車架在水平方面具有較強的柔性，能夠保證小車架承受一定范圍的扭轉(zhuǎn)形變，更能保證四輪支點滿足主梁形變。而垂直方向則具有較強的剛硬度，以降低起吊重物的實際振動。具體圖形如圖2。

2.2.2 起升機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

通過科學算法的計算，起升機構(gòu)的最優(yōu)方案為電機驅(qū)動，由圓柱齒輪進行傳動，帶動焊接卷筒進行鋼絲繩纏繞。在具體優(yōu)化過程中，卷筒通過卷筒軸承座和減速器支座固定在兩個車輪梁之間，減速器與卷筒之間通過剛性錐形接手與卷筒法蘭板相連，這種剛性錐形接手可以實現(xiàn)模塊化設(shè)計，其外徑根據(jù)卷筒直徑的不同進行分類設(shè)計，其連接方式通過法蘭螺栓連接，使得卷筒成為可以進行更換的部件[6]。

卷筒做為起升機構(gòu)的最重的部件，其輕量化設(shè)計中可以從材料和尺寸兩方面進行優(yōu)化，在卷筒小于500mm采用無縫鋼管，若大于500mm可以采用Q35鋼板進行卷板焊接。為避免因鋼絲繩磨損卷筒，造成卷筒強度的下降，卷筒壁厚要根據(jù)鋼絲繩的直徑來確定，薄厚一般為鋼絲繩直徑1.0倍，而對于大直徑的鋼絲繩可以將卷筒壁厚降為鋼絲繩直徑的0.8～0.9倍之間。而卷筒的長度則根據(jù)小車的尺寸進行確定，大致可以采用1500mm、2500mm、4000mm等幾種規(guī)格。

鋼絲繩的重量在輕量化過程中也值得重視，鋼絲繩直徑取決于滑輪和卷筒的直徑，但是鋼絲繩也可以反過來影響滑輪組和吊鉤組的設(shè)計和選型。鋼絲繩直徑的選取是以鋼絲繩最小破斷拉力為依據(jù)，選用抗拉強度為1960MPa的高強度鋼絲繩，可以有效減小繩徑減輕重量。雖然1960MPa的高強度鋼絲繩在制造成本上高于抗拉強度為1670MPa的鋼絲繩，但是在負載相同的條件下選用1960MPa的高強度鋼絲繩要比抗拉強度為1670MPa的鋼絲繩，重量減輕30%[7]。

3結(jié)語

總體上講，橋式起重機的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于橋式起重機更好的適應(yīng)市場的發(fā)展具有十分重要的意義，也可以更好的推動橋式起重機的升級換代，因此設(shè)計人員要給予高度的重視，通過國內(nèi)外的技術(shù)借鑒和交流，實現(xiàn)橋式起重機在工業(yè)生產(chǎn)中價值的體現(xiàn)，推動國家裝備制造業(yè)長足發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

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[4] 程文明，李亞民，張則強.橋式起重機與門式起重機輕量化設(shè)計的關(guān)鍵要素[J].中國工程機械學報，2012，10（1）：41-49.

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