橋式起重機起升機構設計系統的開發與應用

劉慧星，徐偉軍，王玉金，劉 輝

（河南衛華重型機械股份有限公司，河南 新鄉 453400）

0 引言

起重機是我國重型機械裝備制造行業的重要組成部分，是我國重大工程項目建設不可或缺的設備［1］，對我國重型工業的發展起著重要作用。橋式起重機是起重機中較為常見的一種，具有結構形式相對穩定、各部件中通用件和相似件占比例較大的特性，便于應用模塊化、參數化思想。文獻［2］將產品配置的參數化設計方法應用于起重機起升機構的快速設計系統中，用產品配置的方法可以對起升機構中的外購件和部分零部件進行智能選取，適用于高標準化、高模塊化、結構單一固定的起重機起升機構，保證了系統的準確性、易操作性。文獻［3］以模塊化思想和面向對象的程序設計方法為核心，以Visual C＋＋為開發工具，以MATLAB為優化工具，結合常規設計計算和優化分析，開發了塔式起重機起升機構設計系統。研究了系統中的數據存儲、交換、處理與重用，大大提高了設計效率、縮短了設計周期。文獻［4］應用了模塊化參數化思想、裝配草圖技術、工程圖調優技術，以大規模定制為指導思想，以Visual Basic 6.0 為開 發 語 言，SolidWorks為開 發 平臺，研究并開發了門式起重機模塊化快速設計系統，提高了新產品的設計效率和質量。

本文結合橋式起重機起升機構的設計計算知識，建立了起升機構參數化驅動模塊，并經過ANSYS有限元軟件校核分析確定最終參數，達到了起升機構零部件高效參數化建模的目的。

1 起升機構的組成和主要設計部件

起升機構主要包括鋼絲繩卷繞系統、驅動裝置、安全保護裝置和取物裝置等。其中，鋼絲繩卷繞系統又包括卷筒、鋼絲繩、滑輪或滑輪組；驅動裝置中包括電動機、減速器、制動器和聯軸器等；安全保護裝置中包括超負荷限制器、起升高度限位器等；取物裝置有吊鉤、吊環、抓斗等多種形式［5］。典型起升機構平面布置如圖1所示。

圖1 起升機構平面布置簡圖

1.1 鋼絲繩的設計計算

鋼絲繩的選擇分為結構形式的選擇和繩直徑的確定。通常鋼絲繩應優先選用線接觸鋼絲繩，鍍鋅鋼絲繩多用于腐蝕環境中。為保證起升機構的正常工作，選擇的鋼絲繩應滿足一定的性能和強度要求。結合鋼絲繩的實際使用條件和要求，再參照國產部分鋼絲繩主要技術性能表確定其結構形式。鋼絲繩的直徑可以根據以下3種方法確定：按選擇系數確定鋼絲繩直徑；按安全系數n選擇鋼絲繩直徑；采用估算法確定鋼絲繩直徑。

1.2 滑輪的計算

在起重機的起升機構中，滑輪用于支撐鋼絲繩，并改變其走向，平衡各分支的拉力，其組成的滑輪組可以達到省力或增速的目的?；喌闹饕叽缬谢喼睆?、輪轂寬度和繩槽尺寸。其中對鋼絲繩使用壽命影響最大的是滑輪直徑，直徑越大鋼絲繩的擠壓應力和彎曲應力越小。起重機滑輪都屬于鑄造結構，其結構尺寸已標準化，使用時可查閱相關手冊。滑輪組的主要參數有倍率和效率?；喗M倍率的選定對于起升機構整體尺寸影響較大，倍率越大，除滑輪組本身變大外其余起升機構部件尺寸均變小，同時效率降低，鋼絲繩磨損加快。

1.3 卷筒的設計

卷筒的作用是將電動機的旋轉運動轉變為重物的直線升降運動，使用時將鋼絲繩纏繞于卷筒螺旋狀的繩槽內，設計計算時一般會忽略鋼絲繩的自重。在設計起升高度很大的起重機卷筒時，為了避免起升過程中卷筒力矩的變化過大，將卷筒設計為圓錐形，并將鋼絲繩自重計算在內。將鋼絲繩的固定端固定在卷筒上時，需保證固定端的安全性及方便檢查和更換。一般情況下，單層鋼絲繩使用壓板固定，多層鋼絲繩使用楔塊固定或板條固定。鋼絲繩固定及壓板已標準化，相關參數可查看手冊選用。

卷筒需要設計的參數主要有直徑、長度和壁厚及卷筒強度。鋼絲繩繞進或繞出卷筒時，應使鋼絲繩偏離螺旋槽兩側的角度不大于3.5°。為避免亂繩，光繞卷筒和多層繞卷筒的鋼絲繩與卷筒軸的垂直平面的偏角應不大于2°。為避免槽口損壞和鋼絲繩脫槽，布置卷繞系統時，鋼絲繩繞進或繞出滑輪槽的最大偏角應不大于5°。

1.4 電動機、減速器和制動器的選擇

起重機起升機構通常情況下選用繞線型異步電動機，在計算電動機功率時，應先根據起升載荷、起升速度、滑輪組效率、卷筒效率、傳動效率計算出其靜功率，再將靜功率乘以穩態負載平均系數，從而算出穩態平均功率，然后按穩態平均功率值選擇接電持續率值和CZ（慣量增加率與折合的每小時全啟動次數的乘積）值相吻合的功率。

減速器基本已經標準化。在設計時首先根據傳動方案確定傳動比分配，再確定實際傳動比。參數確定后只需從標準庫中選用相應型號的減速器即可。除此外，選用時還要考慮起重機的工作級別和許用功率、電動機額定功率等因素。鑒于在機構作用時減速器輸出軸及其軸端會承受較大扭矩和徑向力，故需要對其軸端最大扭矩和最大徑向力分別進行校驗。

制動裝置用來防止起吊重物下落，限制或調節機構的運動速度。由于橋式起重機的特殊工作性質，要求起升機構中至少安裝一個制動器。若起吊重物為液態金屬，則要求起升機構每套驅動裝置中安裝兩個或兩個以上制動器。

2 軟件開發

系統參數設置按照“總裝－部件－子部件”的順序進行。首先確定起重機整機的基本參數，隨后可以選擇相應部件進行參數設置，以卷筒為例，得出卷筒模型的尺寸后，再經過ANSYS進行有限元校核，將卷筒最終尺寸通過程序在三維軟件中進行驅動，得到最新卷筒模型。卷筒的參數化設計流程如圖2所示。

圖2 卷筒的參數化設計流程圖

圖3為橋式起重機參數化設計系統主界面，進入橋式起重機參數化設計系統，選擇“基本參數設置”界面，如圖4所示，對起重量Q、跨度L、起升高度H、起升速度V、工作級別和大小車運行速度等主要參數進行設置。設置完成后，點擊確定返回到系統主界面。

圖3 橋式起重機參數化設計系統主界面

圖4 基本參數設置界面

從系統主界面點擊起升機構設計計算，進入起升機構設計計算界面，根據設計需要點擊起升機構的相應部件進入其界面進行設計計算或選型。圖5為卷筒設計計算界面。

圖5 卷筒設計計算界面

根據系統計算出的設計數據，建立卷筒組各零部件的三維參數化模型，根據裝配草圖對零部件進行定位。通過添加適當的方程式來約束尺寸變量之間的關系，當草圖發生變化時零部件跟隨草圖發生位置或尺寸變化，從而實現裝配草圖對零部件的驅動控制［6，7］。

卷筒作為起升機構中主要的受力部件，其設計時需要保證一定的靜強度和疲勞強度。通常需要先粗略地計算出卷筒直徑D、長度L 和壁厚δ，根據卷筒長度與直徑的關系（即L＞3D 或L≤3D）確定強度計算方式計算出卷筒強度，并根據以上參數對卷筒進行有限元分析，確定參數值的準確合理性，再將最后的輸出參數導入參數化變型子系統中進行參數化驅動，更新三維模型。

3 卷筒ANSYS有限元分析

采用ANSYS進行有限元分析時，其分析結果受模型、約束條件、計算條件等的影響較大。建立有限元模型的基本原則是既要能如實體現產品結構的力學特性，又要盡量簡化產品模型以降低計算成本［8，9］。

起升機構卷筒一般都是焊接薄壁結構，針對卷筒的特性對其有限元模型做如下簡化和假設：卷筒上的繩槽簡化為封閉圓環，卷筒形狀視為規則封閉圓柱薄殼，材料各向同性；繩的拉力為常數，且壓力均勻分布在卷筒上；鋼絲繩對卷筒端側板的推力處理為均布載荷。

在卷筒參數設置界面點擊“有限元分析”后，經ANSYS軟件求解計算，得到卷筒變形圖（見圖6）和卷筒應力等值線圖。

圖6 卷筒變形圖

4 結論

該設計軟件已在某噸位橋式起重機參數化設計系統中成功運用，經實踐驗證該設計系統大大提高了橋式起重機起升機構的設計效率，縮短了設計周期，節約了設計成本，提高了企業的市場競爭力。

［1］ 林夫奎，趙霞，王欣.我國起重機械產業發展狀況及標準化現狀分析［J］.機械工業標準化與質量，2011（8）：11－14.

［2］ 羅臣強，仲梁維，朱娟.基于配置技術的起重機起升機構快速設計系統［J］.計算機系統應用，2012，21（2）：18－21.

［3］ 陳云，張曉鐘，羅丹.基于Visual C＋＋的起升機構設計系統［J］.煤礦機械，2012，33（4）：236－238.

［4］ 張偉強，王宗彥，吳淑芳，等.門式起重機模塊化快速設計系統研究與實現［J］.機械設計與制造，2010（3）：188－189.

［5］ 嚴大考，鄭蘭霞.起重機械［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2003.

［6］ Hillstrom Fredrik.Applying axiomatic design to interface analysis in modular product development［C］／／ASME Design Engineering Division.［s.l.］∶［s.n.］，1994：363－371.

［7］ 劉堅，劉子建.基于特征技術的軸類零件CAD 系統設計［J］.湖南大學學報（自然科學版），2000，27（5）：44－48.

［8］ 何風梅，趙燦.纏繞式提升機卷筒強度的有限元優化設計［J］.礦山機械，2003（11）：42－44.

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