淺談起重機(jī)的設(shè)計(jì)與制造

郭學(xué)玲

摘 要：起重機(jī)作為一種高科技機(jī)械設(shè)備，在現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用越來(lái)越突出，它有多種分類，每種分類的功能和特性也是各具特色。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，起重機(jī)的應(yīng)用技術(shù)不斷在改進(jìn)，更新?lián)Q代的速度也在加快，并應(yīng)用于更廣泛的科技領(lǐng)域。在高科技背景下，起重機(jī)的設(shè)計(jì)與制造更應(yīng)該注重動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)起重機(jī)的使用壽命和提升其社會(huì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；設(shè)計(jì)與制造；動(dòng)態(tài)性能

1 起重機(jī)的基本知識(shí)

1.1 起重機(jī)的分類

起重機(jī)的分類主要按其性質(zhì)、構(gòu)造和性能來(lái)進(jìn)行分類，根據(jù)起重的性質(zhì)來(lái)分，則分為塔式起重機(jī)、流動(dòng)式起重機(jī)和桅桿式起重機(jī)；若按其構(gòu)造和性能來(lái)進(jìn)行劃分，則一般可分為臂架類型起重機(jī)、輕小型起重設(shè)備、纜索式起重機(jī)和橋式類型起重機(jī)械，臂架型起重機(jī)有汽車起重機(jī)、固定式回轉(zhuǎn)起重機(jī)、履帶起重機(jī)、塔式起重機(jī)、輪胎起重機(jī)等；輕小型起重設(shè)備一般包括千斤頂、卷?yè)P(yáng)機(jī)、電動(dòng)葫蘆、氣動(dòng)葫蘆、平衡葫蘆等；纜索式起重機(jī)有升降機(jī)等；橋架型起重機(jī)主要有龍門起重機(jī)和械梁式起重機(jī)。

1.2 起重機(jī)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式

起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要采用四個(gè)主動(dòng)、從動(dòng)車輪，若起重量過大，通常采取增加車輪的方法來(lái)降低輪壓；如果車輪超過四個(gè)時(shí)，則起用鉸接均衡車架設(shè)備，以便于將起重機(jī)的載荷平均分布在每個(gè)車輪上。主梁和端梁組合構(gòu)成起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)，主梁一般分為兩類，一類是單主梁橋架，是由單根主梁與起重機(jī)跨度兩邊的端梁組合而成，另一類則是雙梁橋架，它是由兩根主梁和端梁構(gòu)成的。起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要有集中驅(qū)動(dòng)和分別驅(qū)動(dòng)兩大類，集中驅(qū)動(dòng)是指通過一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)帶動(dòng)長(zhǎng)傳動(dòng)軸兩邊的主動(dòng)車輪；而分別驅(qū)動(dòng)則是指，兩邊的主動(dòng)車輪分別采用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。中、小型起重機(jī)一般運(yùn)用由減速器、制動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)組合而成的驅(qū)動(dòng)方式，而大起重量的起重機(jī)通常采用萬(wàn)向聯(lián)軸器的驅(qū)動(dòng)裝置，主要因?yàn)槿f(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行安裝和調(diào)整時(shí)比較便捷。

2 起重機(jī)的設(shè)計(jì)與制造

2.1 起重機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的技術(shù)參數(shù)

機(jī)械的技術(shù)參數(shù)代表了某個(gè)設(shè)備的工作能力，也就是設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)跟其他機(jī)械設(shè)備的技術(shù)參數(shù)一樣，都是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最重要和最基本依據(jù)，也是最能體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)備的工作能力的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)[1]。絕大部分起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)都類似，主要包括起重量、起升高度、跨度、變幅和機(jī)構(gòu)工作速度等，臂架類型起重機(jī)較為特殊，其技術(shù)參數(shù)除了一般起重機(jī)應(yīng)有的技術(shù)參數(shù)以外，還包括起重力矩，對(duì)于履帶、輪胎、鐵路、汽車等起重機(jī)，曲率半徑和爬坡最小半徑也是主要的技術(shù)參數(shù)。在起重機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮這些技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，以便提高起重機(jī)的性能。

2.2 起重機(jī)制造材料的選取與確定

起重機(jī)材料的選擇關(guān)系到整個(gè)機(jī)器設(shè)備質(zhì)量的高低與好壞，不同材料的搭配與組合也同樣影響著起重機(jī)的制造與應(yīng)用，只有在最優(yōu)組合的材料搭配下制造的起重機(jī)才能發(fā)揮其最大價(jià)值。起重機(jī)結(jié)構(gòu)材料的選擇，一般按照起重機(jī)的機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的安全要求、載荷狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)合理、利用等級(jí)等因素來(lái)進(jìn)行選擇，另外還須考慮結(jié)合起重機(jī)的跨度、起重量和起重高度，根據(jù)起重機(jī)的特性具體分析，通過科學(xué)的研究和精確的計(jì)算后，再確定起重機(jī)制造最合適的材料。

2.3 起重機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其重要性

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，最核心、最重要的部分的就是機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械的結(jié)構(gòu)是其性能的基礎(chǔ)，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以直接體現(xiàn)該產(chǎn)品的性能，而一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的使用性能是否能夠達(dá)到使用者的要求，是一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵性因素，如果缺乏科學(xué)合理有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也就不可能使產(chǎn)品符合相關(guān)的性能要求；機(jī)械產(chǎn)品的制造主要面對(duì)的是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，為了使產(chǎn)品質(zhì)量得以提高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常都會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和分析，同時(shí)也是為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量；機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)貫穿在機(jī)械設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，耗費(fèi)的時(shí)間和精力也是最大的，并且在一定程度上可以決定設(shè)計(jì)的成敗；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往還需考慮制造工藝、技術(shù)應(yīng)用，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械性能好壞的重要條件[2]。

3 起重機(jī)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要性

動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一種新興技術(shù)，涉及到的學(xué)科比較廣泛，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要是為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性。目前起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大部分都是靜態(tài)設(shè)計(jì)，靜態(tài)設(shè)計(jì)的主要衡量指標(biāo)是靜強(qiáng)度和靜剛性，盡可能地取最大的安全系數(shù)，來(lái)保證起重機(jī)結(jié)構(gòu)的使用性能，但是這樣的設(shè)計(jì)會(huì)致使機(jī)械自重大，過于笨重，同時(shí)耗費(fèi)的材料也多，經(jīng)濟(jì)損失大，而且機(jī)械性能也未必能得以提高，所以應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化機(jī)械的性能。通過動(dòng)力學(xué)分析對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析和載荷的動(dòng)力分析，把有關(guān)的約束條件和目標(biāo)函數(shù)用相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量表示出來(lái)，對(duì)于一些難以表達(dá)的動(dòng)態(tài)性能變量，采用相關(guān)的方法對(duì)數(shù)據(jù)通過建模分析，來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

3.2 動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的

起重機(jī)在各種工程建設(shè)，尤其是在現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展中最主要的施工機(jī)械。起重機(jī)在運(yùn)行過程中，各種機(jī)構(gòu)的頻繁運(yùn)行和制動(dòng)，加上復(fù)雜的混合運(yùn)動(dòng)，使得起重機(jī)的結(jié)構(gòu)承受著強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)，導(dǎo)致起重機(jī)的衰減振動(dòng)加速；衰減振動(dòng)會(huì)影響到產(chǎn)品的工作效率、可操作性和舒適性，并導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[3]。在現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)中，對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)起重量、高度、幅度等方面的要求越來(lái)越高，這就必然導(dǎo)致起重機(jī)結(jié)構(gòu)的大型化，而大型機(jī)械受動(dòng)載荷振動(dòng)的影響大。雖然隨著高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用，能夠有效地減輕起重機(jī)結(jié)構(gòu)的自重，但是未能達(dá)到機(jī)械結(jié)構(gòu)本身應(yīng)達(dá)到的穩(wěn)定性和運(yùn)作強(qiáng)度。對(duì)起重機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使高性能機(jī)器在運(yùn)作時(shí)降低其振動(dòng)，在機(jī)械的設(shè)計(jì)階段對(duì)其動(dòng)態(tài)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便提前做好預(yù)防工作，避免機(jī)械的過度振動(dòng)和共振強(qiáng)度，提高穩(wěn)定性，降低機(jī)械的振動(dòng)水平，提升整個(gè)機(jī)器的工作性能。

3.3 動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法與步驟

起重機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的處理方法主要包括“逆問題”與“正問題”兩大類?！澳鎲栴}”指的通過反求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量，對(duì)已經(jīng)給定的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析；而“正問題”則是按照產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)可變更的設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改，并快速分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟是，先建模、收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、選擇優(yōu)化參數(shù)、優(yōu)化變量參數(shù)、再采用科學(xué)的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化分析，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

起重機(jī)的設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)，尤其是在高性能、高效率的要求下對(duì)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)要求也就越來(lái)越高，所以在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性，尤其要注重機(jī)械動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]徐磊.6噸船用起重機(jī)設(shè)計(jì)與分析[D].哈爾濱理工大學(xué)，2012.

[2]崔云強(qiáng).組合式塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)及制造[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]龍樹.塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[D].東北大學(xué)，2008.