橋式起重機主梁結構分析和優化設計

王曉紅

摘 要：目前，橋式起重機是我國運用最為普遍的一種起重機，但與國外相近噸位的起重機相比，無論在結構尺寸，還是在材料、資源的合理利用方面都存在著相當大的提升考間。文章在起重量與跨度一定的情況下，對橋式起重機的主梁結構進行了詳細分析，進而對其主梁自重優化設計與基于ANSYS對主梁結構優化設計進行了有效探討，旨在對起重機主梁的設計方案進行最大程度的優化，以實現橋式起重機設計和制造的創新、優化，為我國的交通建筑事業快速發展和進步提供有效的參考意見。

關鍵詞：橋式起重機；主梁；結構分析；優化設計

1 前言

科學技術的快速發展促進了工業生產方式的革新，機械化操作越來越多的運用日常的生產工作當中，尤其是單靠人力無法完成的大型貨物的起重、裝卸方面，使人力操作模式的壓力得到了極大程度的釋放。如今起重機械已成為了許多現代化的生產操作中必不可少的搬運設備，能夠有效的節約重型貨物的搬運、裝卸時間，提高生產效率降低生產成本，尤其實在確保生產安全方面都發揮著至關重要的作用。

2 主梁結構分析和優化概述

基于計算機技術發展基礎的數字化、機械化控制技術的廣泛應用，以及結構優化的概念、理論知識的系統發展與普遍深入，使得起重機傳統的設計得到了創新式、選擇多樣性的發展，在設計的過程中可以根據使用需要而自主選擇迅速、有效的最優設計方案。這種方法就是優化設計法，它的出現與發展，因其自主性、針對性、有效性使其成為了目前機械設計中應用最廣泛的一種設計方法。對主梁結構優化設計，指的是在遵循相關行業規范要求，及特定的使用功能的實現基礎上，使主梁結構的重量、造價、剛度達到功能的最優化設計，同時實現最佳的靈敏度、穩定性和可靠性的設計方法。起重機作為現階段提高生產效率、降低生產成本、減輕工人勞動負擔的重要設備，其安全性能備受關注，尤其是起重設備還要實現在一的范圍內的水平移動和垂直起升的功能，而且這類操作具有較強的循環性與動作間歇性的特點，因此，在起重機主梁的結構分析和設計中，必須實現安全性與穩定性的兼顧。

3 橋式起重機主梁結構的分析

3.1 主梁結構設計的要求

目前，根據主梁的數目或主梁機構可將橋式起重機分為較多種類比：按主梁的數目可分為單梁橋架式、雙梁橋架式起重機；按結構可劃分為型鋼梁式橋架、箱型結構橋架、精架式橋架三種結構的起重機。其中，主梁結構較為簡單是鋼梁式結構起重機的主要特點，主梁設計一般采用的工字鋼結構，一般適用于小車；應用較為普遍且工業簡單的應屬箱型結，但這種結構存在主梁易下饒的不足。根據各類橋式起重機的特點，其主梁結構的設計必須滿足以下三個基本要求：

（1）主梁的剛度、強度必須滿足設計要求。

（2）在保障生產效能的前提下，最大限度的降低主梁重量，節約生產資源，降低生產成本。也是減輕起重機的自重，降低橋架和廠房建筑結構負載的有效手段，提高起重機的安全性能，以及確保運行的穩定性。

（3）為確保起重機的正常運轉，橋梁的大小必須和大小車運行的機構配合好，這也是保障起重機運行穩定性的重要環節。

3.2 我國橋式起重機主要采用的主梁結構

目前，國內橋式起重機使用的主梁結構類型比較多，但絕大多數是由箱型截面的雙腹梁式，以及四桁架式這兩種基本結構衍生形成?，F階段，我國生產起重機橋架的基本形式就是箱型截面的雙腹梁式橋架，雖然這種主梁結構的自身重量較大，但是這種結構具有安裝簡單、維護方面，而且利于大批量生產的顯著優勢，成為了我國目前生產較為普遍的結構樣式；四桁式結構的應用則相對較少，主要由兩根主梁與左右兩根端梁構成，而且主梁的外形一般設計為兩端向上傾斜的樣式，其目的主要是為了減輕自重和制造方便，拋物線型結構則比較少見。

4 橋式起重機主梁結構的優化設計

橋式起重機主梁的優化設計必須要嚴格遵守和執行國家相關標準的規定，在實現優化設計的同時應最大程度的保障起重機操作、運行的安全性與穩定性。對橋式起重機主梁的優化設計一方面可以從對主梁的寬厚程度度以及重量體積等影響主梁自重的關鍵部件進行改進；另一方面則是基于ANSYS對主梁結構進行優化設計。

4.1 對橋式起重機主梁的自重進行優化設計

多級模糊綜合法是我國對起重機主梁的優化設計采用的主要方法。這種方法講究的是在綜合考濾生產成本、使用性能、制作工藝以及使用維護等多方面的因素的前提下，最大限度的滿足起重機規格標準要求，節約資源，減少零部件的使用數量，從整體上優化起重機的主梁結構，降低起重機的整體重量。再者就是在對橋式起重機的主梁結構進行分析、優化設計的過程中，著重于輕化主梁結構，即在確保相同起重重量的前提下最大限度的減輕起重機主梁的重量。應從主梁箱型截面著手，以各個截面的尺寸為優化設計的設計變量，通過計算機技術的精確計算得出便于生產加工的詳細參數，以此實現優化主梁結構的目的。這種類型的優化設計，不但能夠有效的降低起重機的自重，節約資源，降低生產成本，而且也極大的減輕了橋架與廠房建筑結構的負荷，從而大大的提升了起重機的安全性與穩定性。

對起重機主梁結構優化設計而言，節約資源和材料是一個重要的研究課題，更是整個起重機行業發展面臨的難題。就目前而言，我國在融合國內外先進的優化設計理念的基礎上，進行自主創新、研發的三合一技術，具備高性能、低耗材的技術優勢，采用國外高性能減速裝置作為驅動器，吊掛于端梁內側，還能避免振動對主梁的影響。

4.2 基于ANSYS對橋式起重機主梁結構進行優化設計

傳統的結構設計雖然能夠滿足主梁對起重機的負載要求，但是缺乏操作上的安全保障，而且缺乏足夠的穩定性，尤其是截面結構與其所承受的彎矩不相匹配。這種設計造成了材料浪費與主梁自重增加的雙重負擔。基于ANSYS軟件的應用可以有效的解決這一問題，在對主梁結構進行優化過程中采用APDL技術，不但可以確保主梁的結構設計能夠滿足使用要求，而且結構設計的各項尺寸參數更趨合理化，達到優化主梁結構的效果。

為滿足不同類型的分析需要，ANSYS軟件數據庫收集了200多種不同的單元的分析類型方便用戶進行選擇。每次分析進行之前，用戶都可以根據實際需要從ANSYS的數據庫中選擇一種或者幾種正確的單元類型，ANSYS將根據所選的類型的幾何模型，經過計算生成相應的有限元模型，并得出分析報告，為主梁結構的正確建模提供有效依據。在對主梁各結構部位的尺寸參數以及相關的負載進行正確分析與計算的基礎上，以減輕主梁自重為設計目標建立完整數學模型函數，通過對模型函數進行動態低階求導，得出滿足設計要求的主梁結構的最優參數組合，以供主梁的結構設計與起重機的使用維護提供有效參考，增強主梁結構的使用性能和安全系數。

5 結束語

文章以橋式起重機的主梁為研究對象，對其結構以及優化設計進行了有效的分析與探討得出，降低主梁自身重量以及基于ANSYS對主梁結構進行優化，這兩方面是主梁結構的優化設計的主要方向。在起重機項目的整體設計中，主梁的結構設計占據著極其重要的地位，隨著先進的分析方法、技術的不斷發展與應用，橋式起重機主梁結構分析和優化設計必將在今后的起重級優化設計中發揮更加重要、關鍵的作用。

參考文獻：

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