橋式起重機箱形梁的優(yōu)化設計探討

王晨

（半島（天津）起重設備有限公司，天津 300353）

橋式起重機箱形梁的優(yōu)化設計探討

王晨

（半島（天津）起重設備有限公司，天津 300353）

隨著各個行業(yè)現(xiàn)代化進程的推進及機械工程的持續(xù)發(fā)展，起重機發(fā)揮著重要的作用。但是我國的起重機在結構設計上有很多需要提高的地方，并且存在成本高、資源浪費嚴重等問題。為了進一步提高起重機的質(zhì)量，本文對起重機箱形梁的柱梁結構優(yōu)化方案進行了探討分析。

橋式起重機；箱形梁；優(yōu)化設計

起重機是在許多行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，起重機可以最大限度地減輕體力勞動、提高工作效率，并且有力保障生產(chǎn)安全。起重機的作用就是在一定范圍內(nèi)將重物進行水平或者垂直移動，可以循環(huán)作業(yè)。在對橋式起重機主梁進行結構優(yōu)化設計的過程中，我們選取的主要研究方面是對起重機主梁進行優(yōu)化，以降低主梁重量，從而達到讓起重機更加輕捷靈便的目的。改進主梁結構設計，可以讓起重機的結構更加合理，從而讓起重機自身變得更加輕便，在起重機生產(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運行的穩(wěn)定性和安全性。通過改進結構實現(xiàn)節(jié)約能源和節(jié)省材料這一目的對整個行業(yè)具有現(xiàn)實意義。

我國起重機結構設計存在成本高、浪費嚴重等問題。隨著技術的不斷完善進步，我們對于箱型梁主梁的研究會更加透徹和深入，也會逐漸得到更加完善的優(yōu)化設計方案。為了進一步提高國內(nèi)起重機的質(zhì)量，本文介紹了橋式起重機的概念，對起重機箱形梁的柱梁結構優(yōu)化方案進行了探討分析。

1 橋式起重機箱形梁簡介

橋式起重機得名于其橋梁式結構，它能夠沿著固定軌道滑行的方式運載重物。橋式起重機在建筑行業(yè)應用非常廣泛，在運輸當中可以避免受地面上的設備的阻礙，當下國內(nèi)外應用最廣泛的起重機結構是箱梁型。橋式起重機工作時將它的兩端固定在堅固的水泥或者金屬架上，通過這種方式在各種滿足條件的場所進行高空重物的運輸。

2 對于橋式起重機主梁結構的研究

橋式起重機的種類繁多，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；從結構設計角度可以劃分成箱式結構橋架、型鋼梁式橋架，精架式橋架。每一種結構形式的橋架都具有自身的功能特點，比如具有廣泛應用價值的箱形結構橋架生產(chǎn)簡單、工藝簡潔、可以適應多種工作需要等優(yōu)點，但是它重量較大，水平強度較低，進行內(nèi)部焊接時比較麻煩，有的位置焊縫使用壽命不長、比較容易開裂，影響了工作效率。另一種結構的主梁為型鋼梁，采用工字鋼這種材料制作，設計非常簡單，機器質(zhì)量較小。隨著不斷更新的工藝、日新月異的設計方法和新型結構，型鋼梁的這些缺點正在逐步減少。所以，設計橋式起重機的橋架結構時在以下幾個方面有嚴格的要求：（1）盡可能地降低橋架的自身重量，這對應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，保證機器順利運行。（3）主梁的強度和硬度要足夠高，以保證正常運轉和生產(chǎn)安全。

在國內(nèi)外的橋架主梁領域，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應用非常廣泛，我國生產(chǎn)的橋式起重機橋架結構均應用了這個起重機的設計。這種橋架的結構優(yōu)點是結構高度較小，可以適應不同的工藝和工作場所的需要，同時這種簡單的結構也方便進行安裝、維護和批量生產(chǎn)，缺點是自身重量大，不方便移動。在穩(wěn)定性和安全性角度考慮，可以在箱型架構設計中分別在橫、縱兩個方向加入加強筋，在提高穩(wěn)定性的基礎上，對整個構件強度的影響不明顯，表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）在截面中加入縱向加強筋顯然對截面的特性產(chǎn)生影響，對截面產(chǎn)生影響之后，必然改變原有的剛度和強度。經(jīng)過實驗論證之后發(fā)現(xiàn)，加強筋引起的正應力減小量低于 10%，縱向加強筋對剪應力基本沒有影響。（2）在相應的公式分析中可以看出，增加橫向加強筋之后，截面的性質(zhì)發(fā)生了明顯變化，但是經(jīng)實驗證明，整個結構的剛度和強度變化不大。通過有限元程序分析可以得知，橫向加強筋對剛度和強度的影響可以忽略不計。

3 具體改進方案

橋式起重機的優(yōu)化改進方案嚴格按照國家標準執(zhí)行，提高機器性能的同時也保證了機器運轉的安全穩(wěn)定。起重機改進的主要方向是改變了主梁的厚度和寬度、電動葫蘆的體積等主要相關部件，通過改進可以使起重機的性能得到提升，也減輕起重機的質(zhì)量和體積以方便應用，從而可以節(jié)約工作空間，適應多種工作場所。在進行改進方案設計時，我們也向國外先進模式進行學習，通過研究國外起重機的工藝參數(shù)提高自己的技術，結合我國實際情況，綜合考慮成本、需要、生產(chǎn)和制造條件開發(fā)國產(chǎn)的起重機。學習外國先進的設計理念，自主研發(fā)了“三合一”技術，將進口的減速器安置在端梁內(nèi)側，避免了振動對驅動裝置的影響，這一技術的改進和提高，讓整個機器的性能有了長足的進步，讓整個結構設計更加緊密合理，方便了機器的使用和維護。

在橋式起重機主梁改進的過程中，我們著眼于起重機輕量化改造。主梁是起重機的關鍵部位，其輕量化對起重機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)化改進方案的主要方向是通過改變主梁箱型截面的尺寸，不斷嘗試、探索計算出相應的參數(shù)，以使主梁的輕量化達到最好的效果。某廠家生產(chǎn)的通用型橋式起重機的主梁采用的是半偏軌式結構設計，這個設計相比于傳統(tǒng)設計更加簡潔明了，更加方便生產(chǎn)、維護，明顯提高了機器的性能。

隨著計算機和數(shù)值方法的飛速進步，優(yōu)化設計在很多領域都得到應用，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)化設計的優(yōu)勢就在于通過數(shù)值模擬和計算機得到最好的參數(shù)和設計方案，以實現(xiàn)結構升級、提高效率的最終目的。計算機運算速度的加快和算法結構的整體優(yōu)化，優(yōu)化設計在各個領域的應用越來越廣。優(yōu)化設計已經(jīng)從機構運動參數(shù)設計拓展到為機構動力學、機械零件和產(chǎn)品上。之前的優(yōu)化設計方法以梯度法為主，而目前已經(jīng)升級到可以運用非線性規(guī)劃的方法，比如神經(jīng)網(wǎng)絡算法，模擬退火算法。伴隨著以人工智能為基礎的智能運用水平的提高，優(yōu)化設計的可行性也大大增加。

在優(yōu)化設計過程中首先要對主梁的參數(shù)進行統(tǒng)計分析，而這是準確進行優(yōu)化設計的第一步。主梁是一個封閉的箱型結構，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，要兼顧精密度、經(jīng)濟性和實際性多個因素。雖然，將單元網(wǎng)格劃分得更緊密，計算準確度就更高，但是考慮到時間成本和經(jīng)濟成本，實際應用中不必將單元網(wǎng)格劃分的過于精細。

我們將箱型梁主梁當做簡支梁進行研究,右端簡支，左端固定。在研究過程中，我們選擇小車滿載于主梁中央的時候進行研究，因為此時駐留承受壓力最大，最容易出現(xiàn)事故。滿載時小車在主梁軌道上滑行，這就需要考慮制動產(chǎn)生的慣性力和主梁的自身重量。我們首先要設計出合適的單元模型來模擬主梁結構。另外，對主梁的結構進行靜力分析，從而找到最大負荷下的最大應力和最大形變。獲得的數(shù)據(jù)對于強度和剛度的檢測非常有幫助，進一步可以得出優(yōu)化方案。

除上述問題之外，完成優(yōu)化還需要進行輸入輸出參數(shù)的設置，這個關系到求解是否準確。

優(yōu)化設計的最理想結果是綜合設計能力簡潔易行，模型再現(xiàn)準確靈活運用，求解分析準確高效，同時還需要些收斂性良好。

4 優(yōu)化結果分析

通過主梁的結構劃分單元模型的優(yōu)化設計以及計算機的程序計算，主梁的重量減輕了 900 多千克，這個結果達到了我們預期目的。我們的優(yōu)化設計方案，不僅在重量上得以體現(xiàn)，在主梁的承載強度和穩(wěn)定性上也取得了非常好的效果。優(yōu)化設計節(jié)約了原材料和成本，讓國產(chǎn)工業(yè)前進一大步，同時也為生產(chǎn)廠家?guī)砹司薮蟮男б妗?/p>

5 結語

我們優(yōu)化設計的目的就是讓起重機的性能逐步提升，達到最佳狀態(tài)。橋式起重機箱型梁的設計優(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的不斷完善進步，我們對于箱型梁主梁的研究會更加透徹和深入，也會逐漸得到更加完善的優(yōu)化設計方案，今后的起重機將會更加先進。通過不斷的更新和提高技術，我國機械制造一定會有長足的進步和發(fā)展，橋式起重機將會更加輕便，更加穩(wěn)定，工作效率會更高。

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