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

【摘 要】隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的工作需要機(jī)器代替人工來完成，比如貨物的搬運(yùn)就必須借助起重機(jī)，人力是很難完成的。起重機(jī)械不僅是現(xiàn)代化生產(chǎn)中的工具，也是不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備，對提高生產(chǎn)效率、減輕工人工作量、節(jié)約生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)安全系數(shù)等，有著至關(guān)重要的作用。目前應(yīng)用最廣泛的起重機(jī)就是橋式起重機(jī)，但這種起重機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸比國外同樣噸位的起重機(jī)大很多，造成了材料和資源的浪費(fèi)。本論文在橋式起重機(jī)起重量和跨度一定的情況下，對主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析有優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】橋式起重機(jī)；主梁；結(jié)構(gòu)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.主梁結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化概述

由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用以及優(yōu)化理論知識的發(fā)展，起重機(jī)的設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展到可以建立一種設(shè)計(jì)過程中自動選擇最有方案的迅速而有效的方法，這種方法也是目前在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的一種設(shè)計(jì)方法，即優(yōu)化設(shè)計(jì)法。主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)即是在滿足行業(yè)規(guī)范及特定要求的前提下使結(jié)構(gòu)的重量、造價、剛度、靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性達(dá)到最佳的方法。

起重機(jī)是提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、減輕工人勞動負(fù)擔(dān)、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的起重運(yùn)輸設(shè)備，在一定的范圍內(nèi)水平移動和垂直起升的設(shè)備，具有作業(yè)循環(huán)性和動作間歇性的特點(diǎn)，所以在主梁的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中一定要兼顧到安全性能和穩(wěn)定性能。

2.橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的分析

2.1主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

目前橋式起重機(jī)的種類比較多，根據(jù)主梁的數(shù)目可大致分為單梁橋架和雙梁橋架，根據(jù)結(jié)構(gòu)可大致分為型鋼梁式橋架、箱型結(jié)構(gòu)橋架、精架式橋架。鋼梁式結(jié)構(gòu)的主梁一般采用工字鋼，結(jié)構(gòu)簡單，起重量小，一般應(yīng)用于小車；箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較廣泛、工藝簡單，但其主梁易下饒。綜上橋式起重機(jī)的特點(diǎn)，在對主梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，必須滿足以下幾個基本要求：

（1）主梁的剛度和強(qiáng)度要滿足要求。

（2）盡可能降低主梁的重量，這樣不但可以減輕起重機(jī)的自重，也減輕了橋架和廠房建筑結(jié)構(gòu)的負(fù)載，同時也能節(jié)約資源、減少生產(chǎn)成本、提高安全性能和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（3）橋梁的大小必須和大小車運(yùn)行的機(jī)構(gòu)配合好，確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要盡量美觀和便于大批量生產(chǎn)。

2.2國內(nèi)外主要采用的主梁結(jié)構(gòu)

目前雖然國內(nèi)主梁結(jié)構(gòu)類型繁多，但大多都是由箱型截面的雙腹梁式和四桁架式這兩種基本形式發(fā)展而來的。箱型截面的板梁式橋架是目前我國生產(chǎn)起重機(jī)橋架的基本形式，其自身重量比較大，但結(jié)構(gòu)簡單安裝和維護(hù)都比較方面，有利于大批量生產(chǎn)；四桁式主要有兩根主梁左右兩根端梁構(gòu)成，為了減輕自重和制造方便，主梁的外形一般是做成兩端向上傾斜的，很少做成拋物線型的。

3.主梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

主梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)一方面可以從主梁的寬度、厚度、重量、體積等關(guān)鍵部件的改進(jìn)，在進(jìn)行改進(jìn)的同時要嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，確保優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時起重機(jī)能夠安全、穩(wěn)定的運(yùn)行；另一方面可以基于ABSYS對主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1對主梁自重進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

我國對起重機(jī)主梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)多采用多級模糊綜合的方法，綜合空濾成本、性能、工藝、生產(chǎn)、制造以及使用維護(hù)等多方面的因素，盡可能在達(dá)到起重機(jī)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的情況下減小零部件，從而達(dá)到起重機(jī)整體優(yōu)化的效果。另一方面在對橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)中，最主要的就是對主梁結(jié)構(gòu)輕量化，在起重量相同的情況下，減輕起重機(jī)主梁的重量。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要以主梁箱型截面的各個尺寸為設(shè)計(jì)變量，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)求得設(shè)計(jì)需要的參數(shù)，便于加工和生產(chǎn)，起到了主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的作用。主梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以減輕起重機(jī)的自重，這樣不但能節(jié)約資源、減少生產(chǎn)成本，還能提高安全性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，也減輕了橋架和廠房建筑結(jié)構(gòu)的負(fù)載；節(jié)約能源和材料是起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個主要問題，也是目前起重機(jī)械行業(yè)發(fā)展遇到的瓶頸。目前我國吸取國外先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，自主研發(fā)高性能、低耗材的“三合一”技術(shù)，驅(qū)動裝置采用國外的高性能減速器，將減速器吊掛于端梁內(nèi)側(cè)，這樣既可以不受振動的影響也可以避免主梁的影響。

3.2基于ABSYS對主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

起重機(jī)的只要負(fù)載是在主梁上，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖然能滿足工程使用上的要求，但設(shè)計(jì)出來的主梁安全系數(shù)較低、不夠穩(wěn)定、截面結(jié)構(gòu)形式和其所承受的彎矩不匹配，這種不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然會導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和梁自重的增加。為解決這一問題，可以基于ANSYS軟件，利用APDL技術(shù)對主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是主梁在滿足設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)的同時，結(jié)構(gòu)尺寸更加合理，從而達(dá)到主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。首先是基于APDL創(chuàng)建優(yōu)化分析文件編制，其次是執(zhí)行優(yōu)化過程，最后是優(yōu)化結(jié)果分析，這是基于ANSYS對主梁結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化的三個簡單步驟。

ANSYS軟件單元庫提供了近200種不同的單元類型供用戶選擇，以適應(yīng)不同的分析需要。每次分析前，從ANSYS的單元庫中選擇一種或者幾種正確的單元類型，ANSYS將創(chuàng)建的幾何模型轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的有限元模型以對其進(jìn)行有限元分析，為建立主梁正確的參數(shù)化模型提供依據(jù)。在正確分析主梁尺寸參數(shù)關(guān)系及負(fù)載計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立以主梁自重為設(shè)計(jì)目標(biāo)的完整數(shù)學(xué)模型函數(shù)。基于對主梁的模態(tài)分析，得出對其結(jié)構(gòu)的動力影響最大的低階模態(tài)，得出主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在外界激勵下易被激發(fā)的頻率及振型，對主梁的設(shè)計(jì)和起重機(jī)的使用提供有益參考。設(shè)計(jì)時可通過改變整機(jī)結(jié)構(gòu)以改變振動出現(xiàn)的頻率氛圍，降低外界激勵的振動，提高主梁的性能和安全系數(shù)以及操作者的舒適度。

4.結(jié)束語

本文以橋式起重機(jī)的主梁為研究對象，主要分析了橋式起重機(jī)主梁的結(jié)構(gòu)以及主梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于主梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從兩個方面來考慮，一方面是減輕主梁的自重，另一方面是基于ABSYS對主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個起重機(jī)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，各種先進(jìn)的分析方法和先進(jìn)的分析技術(shù)都在迅速的發(fā)展，在今后的起重級優(yōu)化設(shè)計(jì)中更為重要的就是系統(tǒng)、全面的分析方法和專業(yè)的理論支撐。

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