龍門行吊系統及其力學分析

李明珠，莫云霞，張懷禮，翁思遠，馬澤林

（1.國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306；2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著國內卡車行業的不斷發展，縱梁加工車間的自動化程度要求越來越高。物流的自動化連線實現了縱梁在各加工工序間的自動化輸送，同時也實現了縱梁的不落地連續生產，達到了生產線無人化或者少人化的作業目的。龍門行吊系統是實現縱梁自動化連線的重要組成部分，其主要包括行吊軌道系統部分和程控行吊部分。

1 行吊軌道系統

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

圖1 行吊軌道系統

龍門軌道架、支撐架和橫梁組成軌道行吊的本體，均由鋼結構型材焊接而成，結構安全牢固，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動；齒條采用精密產品，具有較好的耐磨性和運行精度；滑觸線安裝于橫梁上內側，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）主要由移動橫梁及其驅動裝置、吸盤控制及其升降裝置、行走及導向滾輪以及電磁吸盤組件等組成。

圖2 程控行吊

水平移動部件由移動橫梁及驅動裝置等組成，移動橫梁由鋼結構型材焊接而成，驅動裝置由伺服電機和減速機組合提供動力，移動橫梁由水平伺服電機通過齒輪、齒條驅動；垂直提升部件由提升驅動裝置和提升橫梁組成，提升驅動部件安裝于移動橫梁上，通過變頻調速電機提供動力，提升橫梁通過提升齒輪和提升齒條驅動，提升齒條通過直線導軌導向；電磁吸盤部件安裝在提升橫梁上，可滿足各型號U 型縱梁的吸持提升；電磁吸盤均勻分布，對于不同長度的U 型縱梁，所需吸盤的個數也不盡相同，吸盤之間的距離也可以進行合理的調整；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時提升橫梁需要進入緩沖部件開口輥輪內，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行時提升橫梁產生晃動，增加了部件運行時的穩定性；電控系統用于控制伺服行程行吊的水平移動和電磁吸盤部件對縱梁的吸持，當行程行吊移動橫梁移動到指定位置后，電磁吸盤下降，碰到縱梁后開關發訊停止，電磁吸盤吸住縱梁；電磁吸盤上升到達最上位停止，水平電機帶動移動橫梁運動，將縱梁運送至需要放置位置上方，垂直電機驅動提升橫梁下降至指定位置，開關發訊后停止，電磁吸盤將縱梁放在指定位置上；吸盤返回初始位置，等待信號開始下一個工作循環。

3 龍門行吊系統的力學分析計算

縱梁自動化生產過程中，龍門行吊（圖3）的吊運能力和運行速度均要滿足生產要求，且運行過程安全可靠、平穩快速。行吊軌道系統用于承載程控行吊，其受力情況對于龍門行吊系統至關重要。下面以跨度8m 和6m 的龍門行吊結構為例進行力學分析計算。

圖3 龍門行吊

3.1 整體模型描述

龍門行吊系統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等，H 型鋼、底板和矩形管均采用等厚度的shell 單元模擬，導軌及導軌底板采用六面體網格劃分。

3.2 連接形式

各部件連接形式見圖4 連接形式表。

圖4 連接形式表

3.3 模型簡化

為保證計算精度同時提高計算效率，對程控行吊系統模型進行簡化（圖5），有限元模型中不考慮垂直傳動機構、水平傳動機構、電磁吸盤機構以及滾輪模型，行吊系統在載重時以1.5 倍系數計重，并將質量平均分布到管梁結構表面。

圖5 模型簡化

3.4 工況設定

邊界條件：約束立柱底端所有自由度。

加載：對行吊軌道系統模型加載1G 重力場，對程控行吊系統施加1.5G 重力場（圖6）。

圖6 約束加載

3.5 結果分析

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 智能行吊系統整體位移云圖

圖8 跨度6m 智能行吊系統整體位移云圖

3.5.2 軌道位移

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

圖9 跨度8m 行吊軌道系統位移云圖

圖10 跨度6m 行吊軌道系統位移云圖

3.5.3 應力

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

圖11 跨度8m 智能行吊系統應力云圖

圖12 跨度6m 智能行吊系統應力云圖

3.5.4 結論

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

圖13 跨度變化量分析表

相對跨度6m 軌道系統，8m 跨度軌道系統應力增加9.9MPa，但整體最大應力均小于材料屈服強度235MPa，滿足使用要求。

4 結束語

龍門行吊系統實現了縱梁在各加工工序間的自動化輸送以及不落地連續生產，節省了大量的人力物力，極大的提高了生產效率，為縱梁無人化車間的實現奠定了重要基礎。