橋式起重機(jī)箱形梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

王晨

（半島（天津）起重設(shè)備有限公司，天津 300353）

橋式起重機(jī)箱形梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

王晨

（半島（天津）起重設(shè)備有限公司，天津 300353）

隨著各個(gè)行業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)及機(jī)械工程的持續(xù)發(fā)展，起重機(jī)發(fā)揮著重要的作用。但是我國(guó)的起重機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有很多需要提高的地方，并且存在成本高、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高起重機(jī)的質(zhì)量，本文對(duì)起重機(jī)箱形梁的柱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行了探討分析。

橋式起重機(jī)；箱形梁；優(yōu)化設(shè)計(jì)

起重機(jī)是在許多行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，起重機(jī)可以最大限度地減輕體力勞動(dòng)、提高工作效率，并且有力保障生產(chǎn)安全。起重機(jī)的作用就是在一定范圍內(nèi)將重物進(jìn)行水平或者垂直移動(dòng)，可以循環(huán)作業(yè)。在對(duì)橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們選取的主要研究方面是對(duì)起重機(jī)主梁進(jìn)行優(yōu)化，以降低主梁重量，從而達(dá)到讓起重機(jī)更加輕捷靈便的目的。改進(jìn)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以讓起重機(jī)的結(jié)構(gòu)更加合理，從而讓起重機(jī)自身變得更加輕便，在起重機(jī)生產(chǎn)方面可以有效降低成本、節(jié)約資源，并且還可以極大地提高起重機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和節(jié)省材料這一目的對(duì)整個(gè)行業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

我國(guó)起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在成本高、浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。隨著技術(shù)的不斷完善進(jìn)步，我們對(duì)于箱型梁主梁的研究會(huì)更加透徹和深入，也會(huì)逐漸得到更加完善的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為了進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)起重機(jī)的質(zhì)量，本文介紹了橋式起重機(jī)的概念，對(duì)起重機(jī)箱形梁的柱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行了探討分析。

1 橋式起重機(jī)箱形梁簡(jiǎn)介

橋式起重機(jī)得名于其橋梁式結(jié)構(gòu)，它能夠沿著固定軌道滑行的方式運(yùn)載重物。橋式起重機(jī)在建筑行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，在運(yùn)輸當(dāng)中可以避免受地面上的設(shè)備的阻礙，當(dāng)下國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的起重機(jī)結(jié)構(gòu)是箱梁型。橋式起重機(jī)工作時(shí)將它的兩端固定在堅(jiān)固的水泥或者金屬架上，通過(guò)這種方式在各種滿足條件的場(chǎng)所進(jìn)行高空重物的運(yùn)輸。

2 對(duì)于橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的研究

橋式起重機(jī)的種類繁多，具有多種分類方式。按照主梁數(shù)量可以區(qū)分為單梁橋架和雙梁橋架；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度可以劃分成箱式結(jié)構(gòu)橋架、型鋼梁式橋架，精架式橋架。每一種結(jié)構(gòu)形式的橋架都具有自身的功能特點(diǎn)，比如具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的箱形結(jié)構(gòu)橋架生產(chǎn)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)潔、可以適應(yīng)多種工作需要等優(yōu)點(diǎn)，但是它重量較大，水平強(qiáng)度較低，進(jìn)行內(nèi)部焊接時(shí)比較麻煩，有的位置焊縫使用壽命不長(zhǎng)、比較容易開(kāi)裂，影響了工作效率。另一種結(jié)構(gòu)的主梁為型鋼梁，采用工字鋼這種材料制作，設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，機(jī)器質(zhì)量較小。隨著不斷更新的工藝、日新月異的設(shè)計(jì)方法和新型結(jié)構(gòu)，型鋼梁的這些缺點(diǎn)正在逐步減少。所以，設(shè)計(jì)橋式起重機(jī)的橋架結(jié)構(gòu)時(shí)在以下幾個(gè)方面有嚴(yán)格的要求：（1）盡可能地降低橋架的自身重量，這對(duì)應(yīng)用以及成本控制有重要意義。（2）橋架一定要和大車小車密切配合，保證機(jī)器順利運(yùn)行。（3）主梁的強(qiáng)度和硬度要足夠高，以保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)和生產(chǎn)安全。

在國(guó)內(nèi)外的橋架主梁領(lǐng)域，以箱形截面的雙腹梁式和四桁架式為主，根據(jù)以上兩種形式的主梁衍生出很多的類型。箱形截面的板梁式橋架在我國(guó)應(yīng)用非常廣泛，我國(guó)生產(chǎn)的橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)均應(yīng)用了這個(gè)起重機(jī)的設(shè)計(jì)。這種橋架的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度較小，可以適應(yīng)不同的工藝和工作場(chǎng)所的需要，同時(shí)這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也方便進(jìn)行安裝、維護(hù)和批量生產(chǎn)，缺點(diǎn)是自身重量大，不方便移動(dòng)。在穩(wěn)定性和安全性角度考慮，可以在箱型架構(gòu)設(shè)計(jì)中分別在橫、縱兩個(gè)方向加入加強(qiáng)筋，在提高穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)構(gòu)件強(qiáng)度的影響不明顯，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）在截面中加入縱向加強(qiáng)筋顯然對(duì)截面的特性產(chǎn)生影響，對(duì)截面產(chǎn)生影響之后，必然改變?cè)械膭偠群蛷?qiáng)度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證之后發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)筋引起的正應(yīng)力減小量低于 10%，縱向加強(qiáng)筋對(duì)剪應(yīng)力基本沒(méi)有影響。（2）在相應(yīng)的公式分析中可以看出，增加橫向加強(qiáng)筋之后，截面的性質(zhì)發(fā)生了明顯變化，但是經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度變化不大。通過(guò)有限元程序分析可以得知，橫向加強(qiáng)筋對(duì)剛度和強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。

3 具體改進(jìn)方案

橋式起重機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)方案嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，提高機(jī)器性能的同時(shí)也保證了機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的安全穩(wěn)定。起重機(jī)改進(jìn)的主要方向是改變了主梁的厚度和寬度、電動(dòng)葫蘆的體積等主要相關(guān)部件，通過(guò)改進(jìn)可以使起重機(jī)的性能得到提升，也減輕起重機(jī)的質(zhì)量和體積以方便應(yīng)用，從而可以節(jié)約工作空間，適應(yīng)多種工作場(chǎng)所。在進(jìn)行改進(jìn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，我們也向國(guó)外先進(jìn)模式進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)研究國(guó)外起重機(jī)的工藝參數(shù)提高自己的技術(shù)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，綜合考慮成本、需要、生產(chǎn)和制造條件開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)的起重機(jī)。學(xué)習(xí)外國(guó)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，自主研發(fā)了“三合一”技術(shù)，將進(jìn)口的減速器安置在端梁內(nèi)側(cè)，避免了振動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的影響，這一技術(shù)的改進(jìn)和提高，讓整個(gè)機(jī)器的性能有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊密合理，方便了機(jī)器的使用和維護(hù)。

在橋式起重機(jī)主梁改進(jìn)的過(guò)程中，我們著眼于起重機(jī)輕量化改造。主梁是起重機(jī)的關(guān)鍵部位，其輕量化對(duì)起重機(jī)整體性能和安全系數(shù)的提高有著重要的作用。主梁的優(yōu)化改進(jìn)方案的主要方向是通過(guò)改變主梁箱型截面的尺寸，不斷嘗試、探索計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)，以使主梁的輕量化達(dá)到最好的效果。某廠家生產(chǎn)的通用型橋式起重機(jī)的主梁采用的是半偏軌式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔明了，更加方便生產(chǎn)、維護(hù)，明顯提高了機(jī)器的性能。

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法的飛速進(jìn)步，優(yōu)化設(shè)計(jì)在很多領(lǐng)域都得到應(yīng)用，比如冶金、輪船制造、航天、鋼鐵工業(yè)等大型制造業(yè)上。優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)就在于通過(guò)數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)得到最好的參數(shù)和設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)升級(jí)、提高效率的最終目的。計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的加快和算法結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計(jì)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣。優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)拓展到為機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、機(jī)械零件和產(chǎn)品上。之前的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以梯度法為主，而目前已經(jīng)升級(jí)到可以運(yùn)用非線性規(guī)劃的方法，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，模擬退火算法。伴隨著以人工智能為基礎(chǔ)的智能運(yùn)用水平的提高，優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性也大大增加。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要對(duì)主梁的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而這是準(zhǔn)確進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一步。主梁是一個(gè)封閉的箱型結(jié)構(gòu)，由蓋板、下蓋板、端板、腹板、隔板焊接而成。各部分之間是靠剛性連接，在劃分單元網(wǎng)格時(shí)，要兼顧精密度、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際性多個(gè)因素。雖然，將單元網(wǎng)格劃分得更緊密，計(jì)算準(zhǔn)確度就更高，但是考慮到時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)際應(yīng)用中不必將單元網(wǎng)格劃分的過(guò)于精細(xì)。

我們將箱型梁主梁當(dāng)做簡(jiǎn)支梁進(jìn)行研究,右端簡(jiǎn)支，左端固定。在研究過(guò)程中，我們選擇小車滿載于主梁中央的時(shí)候進(jìn)行研究，因?yàn)榇藭r(shí)駐留承受壓力最大，最容易出現(xiàn)事故。滿載時(shí)小車在主梁軌道上滑行，這就需要考慮制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力和主梁的自身重量。我們首先要設(shè)計(jì)出合適的單元模型來(lái)模擬主梁結(jié)構(gòu)。另外，對(duì)主梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，從而找到最大負(fù)荷下的最大應(yīng)力和最大形變。獲得的數(shù)據(jù)對(duì)于強(qiáng)度和剛度的檢測(cè)非常有幫助，進(jìn)一步可以得出優(yōu)化方案。

除上述問(wèn)題之外，完成優(yōu)化還需要進(jìn)行輸入輸出參數(shù)的設(shè)置，這個(gè)關(guān)系到求解是否準(zhǔn)確。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的最理想結(jié)果是綜合設(shè)計(jì)能力簡(jiǎn)潔易行，模型再現(xiàn)準(zhǔn)確靈活運(yùn)用，求解分析準(zhǔn)確高效，同時(shí)還需要些收斂性良好。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

通過(guò)主梁的結(jié)構(gòu)劃分單元模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)的程序計(jì)算，主梁的重量減輕了 900 多千克，這個(gè)結(jié)果達(dá)到了我們預(yù)期目的。我們的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，不僅在重量上得以體現(xiàn)，在主梁的承載強(qiáng)度和穩(wěn)定性上也取得了非常好的效果。優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)約了原材料和成本，讓國(guó)產(chǎn)工業(yè)前進(jìn)一大步，同時(shí)也為生產(chǎn)廠家?guī)?lái)了巨大的效益。

5 結(jié)語(yǔ)

我們優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是讓起重機(jī)的性能逐步提升，達(dá)到最佳狀態(tài)。橋式起重機(jī)箱型梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化仍然還有很多值得提高的地方，隨著科技工作者不斷的努力和技術(shù)的不斷完善進(jìn)步，我們對(duì)于箱型梁主梁的研究會(huì)更加透徹和深入，也會(huì)逐漸得到更加完善的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，今后的起重機(jī)將會(huì)更加先進(jìn)。通過(guò)不斷的更新和提高技術(shù)，我國(guó)機(jī)械制造一定會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，橋式起重機(jī)將會(huì)更加輕便，更加穩(wěn)定，工作效率會(huì)更高。

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