橋式起重機主梁結構分析和優化設計

【摘 要】隨著工業的迅速發展，越來越多的工作需要機器代替人工來完成，比如貨物的搬運就必須借助起重機，人力是很難完成的。起重機械不僅是現代化生產中的工具，也是不可缺少的生產設備，對提高生產效率、減輕工人工作量、節約生產成本、提高生產安全系數等，有著至關重要的作用。目前應用最廣泛的起重機就是橋式起重機，但這種起重機結構尺寸比國外同樣噸位的起重機大很多，造成了材料和資源的浪費。本論文在橋式起重機起重量和跨度一定的情況下，對主梁結構進行分析有優化設計。

【關鍵詞】橋式起重機；主梁；結構分析；優化設計

1.主梁結構分析和優化概述

由于計算機的發展和廣泛應用以及優化理論知識的發展，起重機的設計從傳統設計發展到可以建立一種設計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械設計中應用最廣泛的一種設計方法，即優化設計法。主梁結構優化設計即是在滿足行業規范及特定要求的前提下使結構的重量、造價、剛度、靈敏度、穩定性和可靠性達到最佳的方法。

起重機是提高生產效率、節約生產成本、減輕工人勞動負擔、實現安全生產的起重運輸設備，在一定的范圍內水平移動和垂直起升的設備，具有作業循環性和動作間歇性的特點，所以在主梁的結構分析和設計中一定要兼顧到安全性能和穩定性能。

2.橋式起重機主梁結構的分析

2.1主梁結構設計的要求

目前橋式起重機的種類比較多，根據主梁的數目可大致分為單梁橋架和雙梁橋架，根據結構可大致分為型鋼梁式橋架、箱型結構橋架、精架式橋架。鋼梁式結構的主梁一般采用工字鋼，結構簡單，起重量小，一般應用于小車；箱型結構應用比較廣泛、工藝簡單，但其主梁易下饒。綜上橋式起重機的特點，在對主梁的結構進行設計時，必須滿足以下幾個基本要求：

（1）主梁的剛度和強度要滿足要求。

（2）盡可能降低主梁的重量，這樣不但可以減輕起重機的自重，也減輕了橋架和廠房建筑結構的負載，同時也能節約資源、減少生產成本、提高安全性能和運行的穩定性。

（3）橋梁的大小必須和大小車運行的機構配合好，確保正常運轉。

（4）結構的設計要盡量美觀和便于大批量生產。

2.2國內外主要采用的主梁結構

目前雖然國內主梁結構類型繁多，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展而來的。箱型截面的板梁式橋架是目前我國生產起重機橋架的基本形式，其自身重量比較大，但結構簡單安裝和維護都比較方面，有利于大批量生產；四桁式主要有兩根主梁左右兩根端梁構成，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.主梁結構的優化設計

主梁的優化設計一方面可以從主梁的寬度、厚度、重量、體積等關鍵部件的改進，在進行改進的同時要嚴格執行國家標準，確保優化設計的同時起重機能夠安全、穩定的運行；另一方面可以基于ABSYS對主梁結構進行優化設計。

3.1對主梁自重進行優化設計

我國對起重機主梁的優化設計多采用多級模糊綜合的方法，綜合空濾成本、性能、工藝、生產、制造以及使用維護等多方面的因素，盡可能在達到起重機規格標準的情況下減小零部件，從而達到起重機整體優化的效果。另一方面在對橋式起重機主梁結構分析和優化設計中，最主要的就是對主梁結構輕量化，在起重量相同的情況下，減輕起重機主梁的重量。優化設計主要以主梁箱型截面的各個尺寸為設計變量，利用計算機技術求得設計需要的參數，便于加工和生產，起到了主梁結構優化的作用。主梁結構的優化，可以減輕起重機的自重，這樣不但能節約資源、減少生產成本，還能提高安全性能和運行穩定性，也減輕了橋架和廠房建筑結構的負載；節約能源和材料是起重機主梁結構優化設計的一個主要問題，也是目前起重機械行業發展遇到的瓶頸。目前我國吸取國外先進的優化設計理念，自主研發高性能、低耗材的“三合一”技術，驅動裝置采用國外的高性能減速器，將減速器吊掛于端梁內側，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對主梁結構進行優化設計

起重機的只要負載是在主梁上，傳統的設計雖然能滿足工程使用上的要求，但設計出來的主梁安全系數較低、不夠穩定、截面結構形式和其所承受的彎矩不匹配，這種不合理的結構設計必然會導致材料的浪費和梁自重的增加。為解決這一問題，可以基于ANSYS軟件，利用APDL技術對主梁進行結構優化，是主梁在滿足設計要求基礎的同時，結構尺寸更加合理，從而達到主梁結構優化的效果。首先是基于APDL創建優化分析文件編制，其次是執行優化過程，最后是優化結果分析，這是基于ANSYS對主梁結構分析優化的三個簡單步驟。

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將創建的幾何模型轉變為相應的有限元模型以對其進行有限元分析，為建立主梁正確的參數化模型提供依據。在正確分析主梁尺寸參數關系及負載計算的基礎上，建立以主梁自重為設計目標的完整數學模型函數。基于對主梁的模態分析，得出對其結構的動力影響最大的低階模態，得出主梁結構設計在外界激勵下易被激發的頻率及振型，對主梁的設計和起重機的使用提供有益參考。設計時可通過改變整機結構以改變振動出現的頻率氛圍，降低外界激勵的振動，提高主梁的性能和安全系數以及操作者的舒適度。

4.結束語

本文以橋式起重機的主梁為研究對象，主要分析了橋式起重機主梁的結構以及主梁的優化設計。對于主梁的優化設計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對主梁結構進行優化設計。主梁的結構設計是整個起重機工程系統設計的重要環節，各種先進的分析方法和先進的分析技術都在迅速的發展，在今后的起重級優化設計中更為重要的就是系統、全面的分析方法和專業的理論支撐。

【參考文獻】

[1]湯秀麗，潘俊萍.橋式起重機主梁輕量化設計的關鍵技術[J].起重運輸機械，2014.

[2]李欣燦，周詩洋.基于ANSYS的橋式起重機動態分析[J].湖北工業大學學報，2012.

[3]劉曰奇.橋式起重機箱形主梁結構分析及優化研究[D].東北林業大學，2012.

[4]齊玉紅.基于ANSYS的橋式起重機主梁結構優化設計研究[D].鄭州大學，2011.