基于多自由度的橋起吊具設計及有限元分析

葉永偉，葉連強，任設東，錢志勤

(浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310014)

基于多自由度的橋起吊具設計及有限元分析

葉永偉，葉連強，任設東，錢志勤

(浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310014)

針對實際作業(yè)中由于傳統(tǒng)橋式起重機吊具的單一性導致無法實現(xiàn)多自由度吊裝而降低工作效率的問題，提出了一種新型橋式起重機吊具設計方案。通過對比傳統(tǒng)吊具結構，設計了多自由度吊具旋轉機構，實現(xiàn)了多方位吊裝；利用ANSYS軟件建立有限元模型，對吊具進行動靜態(tài)分析，靜態(tài)分析保證了吊具的應力和撓度符合設計要求，動態(tài)分析保證了作業(yè)過程中避免發(fā)生共振現(xiàn)象。分析結果表明，該吊具符合設計和動態(tài)性能要求，為實際的生產設計提供了依據。

橋式起重機；吊具；多自由度；動靜態(tài)分析

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，橋式起重機、岸邊集裝箱起重機等大型起重機械的設計水平在飛速提高,快速、高效越來越成為衡量起重機性能高低的重要指標。因此，如何提高起重機的工作效率已成為設計人員普遍關注的問題[1]。

吊具是起重機的重要承載構件，也是最廣泛使用的取物裝置，其性能直接影響到起重機作業(yè)的整體性能。傳統(tǒng)吊具設計只把安全性作為最重要的因素，其他的重要因素考慮不足，因此在實際作業(yè)中，其單一性大大降低了吊裝的工作效率。在現(xiàn)代生產設計環(huán)境中，把安全性作為最重要的因素是遠遠不夠的，還有其他很多因素需要考慮，比如吊具的靈活性、多功能性和工作效率。如何在保證安全性的前提下提高整機的工作效率，適應多樣的作業(yè)環(huán)境，這就需要一種新型的吊具結構設計[2-3]。本文設計了一種多自由度旋轉結構的新型吊具，并通過對吊具進行靜力學特性分析，獲得應力撓度云圖，研究其變形和應力分布；然后再對吊具進行動態(tài)特性分析，包括模態(tài)分析和諧響應分析，確定現(xiàn)有結構固有頻率和發(fā)生共振的危險頻率，為實際的生產設計提供依據。

1 吊具設計

1.1吊具的比較

a.傳統(tǒng)電磁吊具。

傳統(tǒng)的電磁吊具，在搬運重物時只能實現(xiàn)在平面內同一方向平移(如前后方向或左右方向)，吊具在平面內無法實現(xiàn)某一角度的旋轉。其結構簡圖如圖1所示。

1—電磁吊梁;2—電磁鐵;3—筋板;4—吊鉤懸掛結構

在實際車間或倉庫作業(yè)中，往往貨物的體積、質量相對都比較大，而且不一定按規(guī)律的順序和方向整齊擺放，因此這就要求吊具種類的多樣性。當起重機吊運貨物時首先需要考慮安全性，把握好貨物重心對單一功能吊具尤為重要，當重物擺放有一定的要求時(如旋轉90°或某一角度)，單一的傳統(tǒng)吊具作業(yè)則需要更多的作業(yè)人員，同時效率也不高。

b.新型電磁吊具。

新型電磁吊具上端是平衡梁，它與起重機吊鉤固定連接，下端電磁吊梁通過軸連接，可進行旋轉，相對于平衡梁形成任意角度。在車間或倉庫中，任意處重物都能方便起吊運送。新型電磁吊具結構簡圖如圖2 所示。

1.2吊具整體結構設計

1.2.1吊具整體結構

在車間或倉庫中，橋式起重機吊具未作業(yè)狀態(tài)下的整體示意圖如圖3所示，在小車運行機構上有兩個吊鉤，直接與吊具相連，形成固定連接。

1—電磁吊梁;2—電磁鐵;3—定位裝置;4—角度器;5—平衡梁;6—傳動軸;7—傳動齒輪;8—吊鉤懸掛結構

1—大車運行機構;2—司機室;3—橋架;4—吊具;5—小車運行機構

新型電磁吊具梁整體結構如圖4所示。

1—吊梁;2—電磁鐵;3—定位裝置;4—角度器;5—平衡梁;6—轉動軸;7—大齒輪;8—吊鉤懸掛結構;9—焊鉤;10—電機;11—減速器;12—小齒輪

電磁吊具主要是由平衡梁、多自由度旋轉機構、吊梁和電磁鐵4部分組成，其他還包括定位裝置、角度器和電磁鐵掛鉤等。其中，平衡梁用于直接與起重機吊鉤相連；多自由度旋轉機構用于轉動吊梁，在平面內形成一定角度；定位裝置用于吊梁歸位；角度器用于觀察角度；電磁鐵用于吊重。

左視圖(圖4(b))為電磁吊梁的剖視圖，懸掛電磁鐵的固定結構焊接在吊梁兩側，共5組，焊接處有筋板，用于加強吊梁的抗彎強度。

俯視圖(圖4(c))為平衡梁固定、吊梁旋轉90°后的視圖，吊梁旋轉通過齒輪傳動實現(xiàn)，電機連接減速器和聯(lián)軸器，利用鍵與小齒輪連接，小齒輪帶動大齒輪，大齒輪與轉動軸連接，而電機和減速器都固定在平衡梁上。

1.2.2吊具多自由度旋轉機構設計

多自由度旋轉機構結構圖如圖5所示，機構主要由電機、減速器、聯(lián)軸器、軸和齒輪組成。旋轉機構的多自由度主要是依靠大小齒輪的傳動實現(xiàn)，因此在吊具作業(yè)中旋轉機構的穩(wěn)定性是至關重要的，其中齒輪之間的嚙合就是關鍵因素之一。吊具吊重過程中很有可能出現(xiàn)傾斜，由于力的作用，引起傳動軸發(fā)生一定角度(通常角度很小)的傾斜彎曲，從而影響齒輪之間的嚙合，使設備壽命大大縮短，甚至造成齒輪傳動機構直接報廢。為保證其穩(wěn)定性，做出以下設計改進：(1)加強軸的強度和剛度；(2)利用零件1圓柱滾子軸承保證軸的垂直度，利用零件2調心滾子軸承保證軸在出現(xiàn)小偏移時能及時矯正；(3)零件5減速器底座保證兩齒輪傳動軸的平行度。

1—圓柱滾子軸承;2—調心滾子軸承;3—軸;4—鍵;5—減速器底座;6—電機;7—減速器;8—聯(lián)軸器;9—大齒輪;10—小齒輪;11—軸端擋圈;12—螺栓;13—止動墊圈

吊具的旋轉是在水平方向回轉，角度范圍為0°～360°，通常使用范圍在0°～90°，起始位置在定位裝置處，如圖4所示。司機可通過操作手柄對回轉運動進行獨立操作。司機室內設有按鈕開關，可將吊具位置自動恢復到初始零位置。PLC跟蹤技術的應用使本機構具有自動記憶吊具位置的功能，司機在作業(yè)時可以隨意調用先前作業(yè)所處的位置。作業(yè)旋轉的角度不僅能在司機室內顯示，而且也能在吊梁上的角度器上顯示，一目了然。

吊具作業(yè)的順序有兩種。順序一:先起吊重物并把重物移動到指定位置，再把重物旋轉到要求角度放下重物。順序二:吊具先旋轉至一定角度，接著吊起重物，移動到指定位置，再一次旋轉吊具，最后放下重物。吊具的作業(yè)順序可根據作業(yè)環(huán)境要求具體操作。當?shù)蹙咛幱诜亲鳂I(yè)狀態(tài)時，在現(xiàn)有的工作車間，可以通過吊具旋轉合理地擺放。

2 吊具有限元分析

本文采用大型有限元結構分析軟件ANSYS對國內某橋式起重機所使用吊具(材料Q235-B鋼板，工作級別A4)進行動靜態(tài)分析[4-6]。有限元分析流程如圖6所示。

2.1吊梁主要性能參數(shù)

a.材料物理參數(shù)。

材料為Q235-B，在常溫下的屈服極限為235MPa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比取0.3，密度為7 800kg/m3。

圖6 吊具有限元分析流程圖

b.載荷工況。

根據該起重機的運行狀況，主要分析吊具的變形及吊梁與旋轉軸連接處的應力。起重機吊具在作業(yè)時，起吊重物的重心位置非常關鍵，當?shù)踔刂匦脑诘趿褐行奶帟r，吊重不會發(fā)生傾斜；當?shù)踔刂匦牟辉诘趿褐行奶帟r，吊重將發(fā)生一定角度的傾斜，致使齒輪傳動受到影響，吊梁的變形也發(fā)生變化。

c.邊界條件。

將整個吊具簡化后作為研究對象，包括平衡梁、轉動軸和吊梁，在平衡梁上表面左右兩側施加固定約束,UX=0,UY=0,UZ=0,ROTX=0,ROTY=0,ROTZ=0，在加強筋處施加集中力載荷和吊梁自重載荷G。

2.2吊具建模與有限元網格劃分

吊具主要是由鋼板焊接而成，由于鋼板的厚度要比其長度和寬度遠小得多，因此在有限元建模過程中選用殼單元shell63[7-8]。吊具共劃分了12 659個單元，4 189個節(jié)點，有限元網格如圖7所示。

圖7 吊具網格圖

3 吊具動靜態(tài)分析結果

3.1吊具靜態(tài)分析

靜力分析是工程設計人員經常使用的一種分析手段，它主要是計算固定的載荷在結構上所引起的應力和應變等。對起重機吊具結構進行靜力學分析，主要是計算分析其結構的靜強度和靜剛度，使其最大靜應力和靜位移符合工作要求的強度和剛度。

對于線性靜態(tài)分析問題，結構的有限元平衡方程可以表示為：

[K]{X}={F}

(1)

式中：[K]為系統(tǒng)的整體剛度矩陣；{X}為各節(jié)點位移列陣；{F}為載荷列陣。

根據起重機設計規(guī)范，吊具在作業(yè)時其垂直靜剛度要小于等于許用值，起重機許用靜剛度見表1，通過計算可得跨中許用靜剛度[yL]z=15.5mm；跨端許用靜剛度[yL]d=35.4mm。在吊具作業(yè)過程中，主要的承載來自Y方向上的力，位移大，而來自其他方向上的力相對較小，位移也較小。從圖8吊具位移云圖中可以得到，位移總的靜剛度為3.489mm，小于許用靜剛度，主要位于吊具的兩端。最大靜剛度小于許用值，說明此工況下，吊具滿足靜態(tài)剛度要求。

表1 起重機許用靜剛度

圖8 吊具位移云圖

根據起重機設計規(guī)范及靜強度設計準則，應力計算公式為：

(2)

式中：σ1，σ2，σ3為3個方向的主應力;[σ]為材料的許用應力。

吊梁采用Q235-B鋼板焊接而成，額定起重量為10t，材料的極限強度值σmax=235MPa，為保證安全性，查表并考慮取安全系數(shù)n=1.5，則許用應力[σ]=σmax/n=157MPa。從圖9吊具應力云圖中可以得到，吊具的最大應力為148.67 MPa，小于許用應力[σ]。從圖中還可以看出，吊具只在旋轉機構連接處存在應力集中現(xiàn)象，但應力集中處應力值小于許用應力，而在旋轉機構連接處外其他處的最大應力都遠小于許用值，表明吊具結構有較好的穩(wěn)定性。因此，吊具強度滿足應力設計要求。

圖9 吊具應力云圖

3.2吊具動態(tài)分析

3.2.1吊具模態(tài)分析

模態(tài)分析，也叫特征值的提取，用以求解多自由度系統(tǒng)自由振動的固有頻率和相應振型。 橋式起重機吊具都有固有振動頻率，模態(tài)分析的目的就是尋求結構的固有頻率和主振型，從而了解結構的振動特性，設計時避開工作時外激振力的頻率，以免結構共振發(fā)生重大機械事故。典型無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程為：

(3)

式中：{Φi}為第i階模態(tài)的振型矢量(特征矢量)；Wi為第i階模態(tài)的固有頻率(特征值)；[M]為質量矩陣。

模態(tài)分析結束后，提取吊具結構前10階的固有頻率，見表2。

前10階固有頻率對應的固有振型如圖10所示：

表2 橋式起重機吊具前10階固有頻率

圖10 第1至10階固有振型

從表2可以看到，吊具前3階固有頻率較小，4到10階固有頻率逐漸增大。起重機設計手冊[9]中規(guī)定，橋式起重機主梁沿小車軌道方向的振動頻率需要在1Hz以上，而小車在跨中的垂直方向滿載的頻率需要控制在2Hz～4Hz之間。對照表2，橋式起重機在作業(yè)時可能在第2階或第3階出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

從圖10中可以看出，多數(shù)情況都反映了吊具縱向水平振動，此振動可能是由于工作時小車啟、制動等方面的原因而引起的激勵起振。

3.2.2吊具諧響應分析

諧響應分析主要用于分析持續(xù)的周期載荷在結構中產生的持續(xù)周期響應。為了使橋式起重機吊具在工作時避免因共振響應而引發(fā)工程事故，同時也為了確定各階頻率對結構的影響情況，需對吊具進行諧響應分析。結構諧響應分析的通用方程如下：

(4)

式中：[C]為阻尼矩陣； {u}為時間的函數(shù)。

對吊具結構進行諧響應分析時，設定 0～50Hz的響應范圍。 圖11中 UY-1 為吊具端部位置節(jié)點垂直位移響應曲線，UY-2為吊具跨中位置節(jié)點垂直位移的響應情況。從圖中可知，在不同激勵作用下，位移響應出現(xiàn)2個波峰，最大的峰值出現(xiàn)在25.1Hz附近，其次峰值出現(xiàn)在7.3Hz附近。橋式起重機小車在跨中的垂直方向滿載的頻率控制在2Hz～4Hz之間，因此，吊具在起重機作業(yè)時發(fā)生共振現(xiàn)象的概率將會變得非常小。

圖11 吊具結構諧響應分析圖

4 結束語

本文提出一種新型橋起吊具，該吊具增加了多自由度設計，其旋轉機構克服了傳統(tǒng)吊具只能平動的缺點，使吊具擁有了靈動性，更能適應環(huán)境，提高了作業(yè)效率。通過ANSYS軟件對吊具結構進行靜力學分析表明，應力和撓度滿足設計要求，而在轉動連接處存在應力集中，但最大應力小于許用應力，滿足設計要求。對吊具結構的動態(tài)分析結果表明，在橋式起重機作業(yè)過程中，吊具的結構設計避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。新的設計為吊具增加了新的形式，對企業(yè)而言，具有重要的工程實際意義。

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Thedesignofbridgecranespreaderbasedonthemultidegreeoffreedomfiniteelementanalysis

YE Yongwei, YE Lianqiang, REN Shedong, QIAN Zhiqin

(Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou, 310014, China)

In view of the bridge crane in the practical operation, the traditional crane spreader can′t achieve much freedom lifting and reduce the efficiency. This paper proposes a new type of bridge crane spreader design scheme. Comparing traditional spreader structure, it designs a multi degree of freedom the rotation mechanism, the spreader implements multiple hoisting. It establishes the finite element model based on ANSYS software, analyzes dynamic and static characteristics of the spreader. The static analysis ensures the spreader of stress and deflection according to the design requirements, and dynamic analysis ensures the operation in the process of avoiding resonance phenomenon. The results show that the spreader conforms to the requirements of the design and the dynamic performance, provide the practical design proof.

bridge Crane; spreader; multi-DOF; dynamic and static analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.007

2014-12-03

葉永偉(1964—)，男，浙江義烏人，浙江工業(yè)大學副教授、碩士生導師，主要研究方向為制造業(yè)信息化關鍵技術研究、數(shù)字化設計與研究。

TH215

A

2095-509X(2014)12-0028-06