龍門行吊系統(tǒng)及其力學(xué)分析

李明珠，莫云霞，張懷禮，翁思遠(yuǎn)，馬澤林

（1.國(guó)機(jī)鑄鍛機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250306；2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)卡車行業(yè)的不斷發(fā)展，縱梁加工車間的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高。物流的自動(dòng)化連線實(shí)現(xiàn)了縱梁在各加工工序間的自動(dòng)化輸送，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了縱梁的不落地連續(xù)生產(chǎn)，達(dá)到了生產(chǎn)線無(wú)人化或者少人化的作業(yè)目的。龍門行吊系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)縱梁自動(dòng)化連線的重要組成部分，其主要包括行吊軌道系統(tǒng)部分和程控行吊部分。

1 行吊軌道系統(tǒng)

行吊軌道系統(tǒng)（圖1）用于承載程控行吊，為程控行吊提供動(dòng)力、軌道及支撐。由龍門軌道架、支撐架、橫梁、導(dǎo)軌、齒條和滑觸線等組成。橫梁、導(dǎo)軌與齒條安裝時(shí)需保證平行度，使行吊運(yùn)行平穩(wěn)。

圖1 行吊軌道系統(tǒng)

龍門軌道架、支撐架和橫梁組成軌道行吊的本體，均由鋼結(jié)構(gòu)型材焊接而成，結(jié)構(gòu)安全牢固，支撐架采用向上凸起方式可有利于伺服行程行吊在下方穿行；軌道安裝于橫梁上用于伺服行程行吊的支撐和水平運(yùn)動(dòng)；齒條采用精密產(chǎn)品，具有較好的耐磨性和運(yùn)行精度；滑觸線安裝于橫梁上內(nèi)側(cè)，采用三相四線制為伺服行程行吊提供電能。

2 程控行吊

程控行吊（圖2）主要由移動(dòng)橫梁及其驅(qū)動(dòng)裝置、吸盤控制及其升降裝置、行走及導(dǎo)向滾輪以及電磁吸盤組件等組成。

圖2 程控行吊

水平移動(dòng)部件由移動(dòng)橫梁及驅(qū)動(dòng)裝置等組成，移動(dòng)橫梁由鋼結(jié)構(gòu)型材焊接而成，驅(qū)動(dòng)裝置由伺服電機(jī)和減速機(jī)組合提供動(dòng)力，移動(dòng)橫梁由水平伺服電機(jī)通過(guò)齒輪、齒條驅(qū)動(dòng)；垂直提升部件由提升驅(qū)動(dòng)裝置和提升橫梁組成，提升驅(qū)動(dòng)部件安裝于移動(dòng)橫梁上，通過(guò)變頻調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力，提升橫梁通過(guò)提升齒輪和提升齒條驅(qū)動(dòng)，提升齒條通過(guò)直線導(dǎo)軌導(dǎo)向；電磁吸盤部件安裝在提升橫梁上，可滿足各型號(hào)U 型縱梁的吸持提升；電磁吸盤均勻分布，對(duì)于不同長(zhǎng)度的U 型縱梁，所需吸盤的個(gè)數(shù)也不盡相同，吸盤之間的距離也可以進(jìn)行合理的調(diào)整；緩沖部件由焊接支架和輥輪組成，伺服行程行吊在水平移動(dòng)時(shí)提升橫梁需要進(jìn)入緩沖部件開(kāi)口輥輪內(nèi)，緩沖部件輥輪將提升橫梁抱緊，這樣可避免伺服行程行吊在高速運(yùn)行時(shí)提升橫梁產(chǎn)生晃動(dòng)，增加了部件運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性；電控系統(tǒng)用于控制伺服行程行吊的水平移動(dòng)和電磁吸盤部件對(duì)縱梁的吸持，當(dāng)行程行吊移動(dòng)橫梁移動(dòng)到指定位置后，電磁吸盤下降，碰到縱梁后開(kāi)關(guān)發(fā)訊停止，電磁吸盤吸住縱梁；電磁吸盤上升到達(dá)最上位停止，水平電機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)，將縱梁運(yùn)送至需要放置位置上方，垂直電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升橫梁下降至指定位置，開(kāi)關(guān)發(fā)訊后停止，電磁吸盤將縱梁放在指定位置上；吸盤返回初始位置，等待信號(hào)開(kāi)始下一個(gè)工作循環(huán)。

3 龍門行吊系統(tǒng)的力學(xué)分析計(jì)算

縱梁自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，龍門行吊（圖3）的吊運(yùn)能力和運(yùn)行速度均要滿足生產(chǎn)要求，且運(yùn)行過(guò)程安全可靠、平穩(wěn)快速。行吊軌道系統(tǒng)用于承載程控行吊，其受力情況對(duì)于龍門行吊系統(tǒng)至關(guān)重要。下面以跨度8m 和6m 的龍門行吊結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算。

圖3 龍門行吊

3.1 整體模型描述

龍門行吊系統(tǒng)的有限元模型主要包括龍門軌道架、橫梁、自制軌道以及程控行吊系統(tǒng)等，H 型鋼、底板和矩形管均采用等厚度的shell 單元模擬，導(dǎo)軌及導(dǎo)軌底板采用六面體網(wǎng)格劃分。

3.2 連接形式

各部件連接形式見(jiàn)圖4 連接形式表。

圖4 連接形式表

3.3 模型簡(jiǎn)化

為保證計(jì)算精度同時(shí)提高計(jì)算效率，對(duì)程控行吊系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化（圖5），有限元模型中不考慮垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁吸盤機(jī)構(gòu)以及滾輪模型，行吊系統(tǒng)在載重時(shí)以1.5 倍系數(shù)計(jì)重，并將質(zhì)量平均分布到管梁結(jié)構(gòu)表面。

圖5 模型簡(jiǎn)化

3.4 工況設(shè)定

邊界條件：約束立柱底端所有自由度。

加載：對(duì)行吊軌道系統(tǒng)模型加載1G 重力場(chǎng)，對(duì)程控行吊系統(tǒng)施加1.5G 重力場(chǎng)（圖6）。

圖6 約束加載

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 整體位移

跨度8m 的龍門行吊整體位移云圖，最大位移11.2mm（圖7）；跨度6m 的龍門行吊整體位移云圖，最大位移9.5mm（圖8）。

圖7 跨度8m 智能行吊系統(tǒng)整體位移云圖

圖8 跨度6m 智能行吊系統(tǒng)整體位移云圖

3.5.2 軌道位移

跨度8m 的行吊軌道系統(tǒng)位移云圖，最大位移4.5mm（圖9）；跨度6m 的行吊軌道系統(tǒng)位移云圖，最大位移2.5mm（圖10）。

圖9 跨度8m 行吊軌道系統(tǒng)位移云圖

圖10 跨度6m 行吊軌道系統(tǒng)位移云圖

3.5.3 應(yīng)力

跨度8m 的龍門行吊系統(tǒng)的最大應(yīng)力117.7MPa，位于立柱與支撐架連接位置（圖11）；跨度6m 的龍門行吊系統(tǒng)最大應(yīng)力107.8MPa，位于立柱與支撐架連接位置（圖12）。

圖11 跨度8m 智能行吊系統(tǒng)應(yīng)力云圖

圖12 跨度6m 智能行吊系統(tǒng)應(yīng)力云圖

3.5.4 結(jié)論

相對(duì)跨度6m 龍門行吊系統(tǒng)，8m 跨度整體位移相對(duì)變化量1.7mm，軌道系統(tǒng)位移相對(duì)變化量1.6mm（圖13）。軌道跨度變?yōu)?m 后軌道框架位移量增加64%，可增加H 型鋼截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

圖13 跨度變化量分析表

相對(duì)跨度6m 軌道系統(tǒng)，8m 跨度軌道系統(tǒng)應(yīng)力增加9.9MPa，但整體最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度235MPa，滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

龍門行吊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了縱梁在各加工工序間的自動(dòng)化輸送以及不落地連續(xù)生產(chǎn)，節(jié)省了大量的人力物力，極大的提高了生產(chǎn)效率，為縱梁無(wú)人化車間的實(shí)現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)。