橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

高國亮++劉鵬++陳樂

[摘 要]隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的交通工程建設(shè)得到了不斷的發(fā)展和進(jìn)步，為了滿足交通運(yùn)輸?shù)男枰壳霸诤芏嗟胤郊訌?qiáng)了橋梁工程建設(shè)。橋式起重機(jī)作為橋梁工程建設(shè)中的重要施工機(jī)械設(shè)備，在整個施工的過程中發(fā)揮著重要的作用。但是就目前來看，在施工的過程中存在著材料浪費(fèi)嚴(yán)重和主梁結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理的地方。因此，要加強(qiáng)對橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的分析，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，加快促進(jìn)我國橋梁工程建設(shè)事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

[關(guān)鍵詞]橋式起重機(jī)；主梁結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TH215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）18-0194-01

作為起重機(jī)中的一種形式，橋式起重機(jī)具有較高的通用化程度，而且跨度大，所以數(shù)量多、用途廣，是一種非標(biāo)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。由于橋式起重機(jī)的跨度比較大，一般多是使用箱型梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣就能夠滿足施工過程中扭轉(zhuǎn)和彎曲的使用需求。因此，在進(jìn)行主梁設(shè)計(jì)的時候，既要盡可能的減少設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本，也要提高機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和可靠性。橋式起重機(jī)自身的重量比較大，因此要加強(qiáng)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，這在實(shí)際的施工過程中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要是借助ANSYS系統(tǒng)軟件來研究和分析橋式起重機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)，通過分析結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)格劃分和載荷處理，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)化，促進(jìn)我國交通建筑事業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)步。

一、主梁結(jié)構(gòu)分析

（一）網(wǎng)格劃分

當(dāng)模型建立好之后，就需要對模型進(jìn)行求解，這樣就需要通過網(wǎng)格劃分來實(shí)現(xiàn)。在一般的分析程序中可以自行的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分，設(shè)計(jì)者和使用者需要做的就會在程序中設(shè)置相關(guān)的命令和參數(shù)，這樣就可以進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分指的是所劃分的邊界區(qū)域形狀是不規(guī)則的，這樣一來網(wǎng)格中的排列所呈現(xiàn)出的也是不規(guī)則的，但是這樣就降低了分析的準(zhǔn)確度和精度。映射網(wǎng)格劃分指的是在不規(guī)則的區(qū)域中映射出較為規(guī)則的形狀，比如三棱柱、正方形等，這樣網(wǎng)格的排列就呈現(xiàn)出一定的規(guī)則性，這就在一定程度上提高了分析的準(zhǔn)確度和精度[1]。但是在區(qū)域劃分的時候，由于需要根據(jù)拓?fù)錀l件來進(jìn)行映射，不然就難以實(shí)現(xiàn)映射網(wǎng)格劃分。在一般情況下，系統(tǒng)中對網(wǎng)格的生成采用的都是默認(rèn)控制，這樣有利于進(jìn)行控制，在劃分單元網(wǎng)格的時候，需要綜合考慮計(jì)算容量、經(jīng)濟(jì)性和精度。為了真實(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)出求解區(qū)域，在進(jìn)行單元劃分的時候，越細(xì)致越好，這樣就能夠有效的提高計(jì)算的準(zhǔn)確度和精度，但是與之增加的是內(nèi)存使用量以及計(jì)算的費(fèi)用和時間。因此在劃分的時候，要加強(qiáng)對網(wǎng)格數(shù)量和單元數(shù)目的計(jì)算和確定[2]。

（二）載荷處理

在研究和分析的過程中，會將橋式起重機(jī)的主梁看作是簡支梁，一般會將左端固定，而右端簡支，并加強(qiáng)對最危險工況的考慮。在加載的時候，需要綜合考慮動載系數(shù)、作業(yè)系數(shù)、風(fēng)載、水平慣性力以及主梁的自身重量。載荷可以在幾何模型的重要部分進(jìn)行施加，或者是在模型的節(jié)點(diǎn)處施加。這兩種情況都具有自身的優(yōu)勢和缺點(diǎn)。

在實(shí)體模型上施加的優(yōu)勢是：在加載拾取圖形的時候，由于實(shí)體比較小，這樣就能夠提高施加的便捷程度。除此之外由于實(shí)體模型與有限元網(wǎng)格之間是相互獨(dú)立的，這樣就不需要再次進(jìn)行重新加載；缺點(diǎn)是由于實(shí)體模型載荷不能顯示出所有，就很難施加關(guān)鍵點(diǎn)上的載荷，這不利于單元命令的生成[3]。

在有限元模型上施加的優(yōu)勢是：由于可以直接在主節(jié)點(diǎn)上面施加載荷，這樣在簡化分析的時候一般不會出現(xiàn)差錯和失誤，可以有選擇的進(jìn)行節(jié)點(diǎn)簡化；缺點(diǎn)是如果所劃分的網(wǎng)格中出現(xiàn)了任何一個問題，網(wǎng)格單元就需要重新劃分或者是替換部分網(wǎng)格，原先所有的分析數(shù)據(jù)都不能再次使用，如果節(jié)點(diǎn)比較多的話，就需要逐一的拾取節(jié)點(diǎn)載荷，增加了難度和復(fù)雜性[4]。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念

優(yōu)化設(shè)計(jì)指的是在設(shè)計(jì)方案中最大限度的滿足設(shè)計(jì)要求，在費(fèi)用、應(yīng)力、面積體積、重量等方面的所需支出比較少。這可以優(yōu)化設(shè)計(jì)中的任何一個方面，比如材料特性、制造費(fèi)用、支撐位置、形狀、尺寸等[5]。

（二）優(yōu)化方法

為了克服現(xiàn)有的導(dǎo)向輪不能實(shí)現(xiàn)軸向移動和需輔以壓繩器裝置的不足， 本實(shí)用新型提供一種新型靜動態(tài)導(dǎo)向輪，該靜動態(tài)導(dǎo)向輪既保留了傳統(tǒng)導(dǎo)向輪的周向運(yùn)動功能，又可實(shí)現(xiàn)滑輪的軸向平移，并省去了壓繩器等裝置。其具體的優(yōu)化技術(shù)方案如下：

（1）本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種新型靜動態(tài)導(dǎo)向輪，包括：滑輪支架、滑輪軸、滑輪、軸套、軸端擋板、螺栓墊圈組等部分；

（2）作為本設(shè)計(jì)的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)上，包含支撐結(jié)構(gòu)、減磨結(jié)構(gòu)、限位結(jié)構(gòu)、聯(lián)接件、滑輪等主要結(jié)構(gòu)，支撐機(jī)構(gòu)為滑輪支架，滑輪軸兩端與滑輪支架以軸孔配合，滑輪與軸套過渡配合，軸套與輪軸間隙配合，軸套與支架兩側(cè)擋板留有足夠平移空間，軸端擋板與支架以聯(lián)接件螺栓聯(lián)接，并卡入滑輪軸凸出支架側(cè)板的部分；

（3）作為本設(shè)計(jì)的改進(jìn)，工作原理上，當(dāng)繩索被纏繞到滾筒等結(jié)構(gòu)上時，繩可沿導(dǎo)向輪裝置的滑輪輪槽周向移動，由于繩沿滾筒繞轉(zhuǎn)若干圈后必然有明顯的軸向移動，為了消除軸向位移影響，使繩順利繞進(jìn)滾筒繩槽，該導(dǎo)向輪裝置的滑輪可在繩沿軸向壓力作用下作軸向平移；

（4）作為本設(shè)計(jì)的改進(jìn)，考慮安全可靠性，設(shè)有減磨結(jié)構(gòu)軸套，軸套的設(shè)計(jì)使平移摩擦力充分減小，該軸套亦有良好的替換性。限位結(jié)構(gòu)為軸端擋板，防止輪軸意外脫出支撐孔；

（5）本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種新型靜動態(tài)導(dǎo)向輪，其導(dǎo)向輪經(jīng)軸套聯(lián)接于輪軸之上，輪軸聯(lián)接于支架之上，導(dǎo)向輪保留了轉(zhuǎn)動與軸向平移兩個自由度，使被導(dǎo)引繩體既可沿輪槽伸縮又能沿輪軸自由平移。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。

結(jié)語

本文主要是分析和研究橋式起重機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且運(yùn)用的工況比較多，為了有效的增強(qiáng)其安全性和穩(wěn)定性，采用了ANSYS系統(tǒng)軟件來分析和研究主梁結(jié)構(gòu)。通過分析和研究，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足了橋式起重機(jī)剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)要求的同時，減輕了主梁自身的重量，有效的減少了制造生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦東晨，齊玉紅.基于ANSYS的30t橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2011，05：46-49.

[2] 焦洪宇，周奇才，李英，陳慶樟，許廣舉.橋式起重機(jī)輕量化主梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，23：168-174.

[3] 朱小龍，于蘭峰，郭俊材，于翰翔.基于ANSYS和iSIGHT的橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2012，07：52-55.

[4] 黃榮星，王虎奇，羅錫榮.基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012，06：52-54.

[5] 王虎奇，陸洋，黃榮星.橋式起重機(jī)主梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，03：43-48.

作者簡介

高國亮，男，1985年出生，河南新鄉(xiāng)人，助理工程師，畢業(yè)于淮陰工學(xué)院，現(xiàn)主要從事起重機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

劉鵬，男，1989年出生，山東日照人，助理工程師，畢業(yè)于山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，現(xiàn)主要從事起重機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

陳樂，男，1987年出生，山東菏澤人，助理工程師，畢業(yè)于山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，現(xiàn)主要從事起重機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。