橋式起重機結構優化與輕量化設計

(廣東敏豪起重機械設備有限公司,廣東佛山 528313)

隨著我國裝備制造業的發展，起重機械作為現代工業中的“大力士”，在冶金、物流等國家重要的工業行業被大量使用，在國家裝備制造中發揮著舉足輕重的作用。這其中橋式起重機是最為常用的一種起重設備，被廣泛的安裝在大型的廠房內，我國的橋式起重機設計雖然起步較晚，但這些年我國的起重機設計在新材料、新技術、新方法的不斷涌現下正步入高速發展的快車道，橋式起重機的結構得到充分優化，并逐步呈現出小型化、輕量化和智能化的發展趨勢，本將主要就橋式起重機結構優化和輕量化設計展開論述[1]。

1 有關橋式起重機設計所需的技術和方法

1.1 橋式起重機的模塊化設計

自從模塊化設計在世紀初的德國被提出后，被各種行業借鑒，同樣也在橋式起重機設計的到應用。橋式起重機的模塊化設計就是將復雜的橋式起重機分解為易于通用互換的部件或模塊，最大限度的滿足用戶的和市場的需求，同時又由于模塊的相對獨立性使的設計更加簡潔大大節省設計費用，又由于部件或模塊的可互換性大大節省了零部件的生產，最終節省了生產成本。起重機行業的龍頭德馬格公司將模塊化設計方法用到單梁吊車的設計中，使單梁吊車的設計費用比原先降低了生產成本為原先70%。橋式起重機的模塊化設計是將橋式起重機按照功能分為：控制模塊、起升模塊、運行模塊、吊鉤滑輪模塊、橋架模塊和小車架模塊等六個模塊。控制模塊主要包括起重機的控制設備和控制軟件。起升模塊包括起升電動機、減速器、起升制動器和鋼絲繩卷筒組；運行模塊包括走行車輪組、走行制動器、電動機、減速器和緩沖器；吊鉤滑輪模塊包括吊鉤、橫梁、滑輪組和安全模塊；橋架模塊包括主梁、端梁和附屬結構[2]。

1.2 結構優化法

結構優化法就是通過對工程對象按結構進行細分形成變量并優化，實現對工程對象目標化設計。結構優化法按照優化變量的種類分為三種：拓撲優化、形狀優化和尺寸優化。

拓撲優化一般在設計的概念設計階段，主要是對起重機的原理和技術的進行全新的優化。

形狀優化一般發生在起重機的基礎設計階段，主要是按照客戶或市場的需要進行起重機的總體、設備的選型、材料成本的設計。

尺寸優化一般發生在起重機的詳細設計階段，主要是總體起重機的框架設計結束后，具體對某一部件進行具體結構和尺寸的設計。今天本文也主要是從現狀和尺寸優化兩個角度出發。

1.3 輕量化設計

輕量化設計就是通過設計在工程對象功能和要求得到保證的前提下實現其的自重和零部件的輕質，使其重量和成本達到最優狀態。它主要是通過輕量化材料、輕量化設計和輕量化制作技術來實現。

橋式起重機的輕量化設計主要集中在對橋架、小車和吊鉤模塊中進行。

2 橋式起重機的的結構優化和輕量化設計

2.1 橋式起重機的橋架的結構優化與輕量化設計

橋架是橋式起重機的重要構件，它的重量占橋式起重機總重的60-70%，因此對橋式起重機的橋架進行結構優化實現輕量化，對于起重機總體的輕量化起著關鍵性作用。

橋架做為起重機的關鍵部件其中主要構件就是主梁，主梁結構有單主梁和雙梁橋架兩類。單主梁橋架由單根主梁和位于跨度兩邊的端梁組成，雙梁橋架由兩根主梁和端梁組成。主梁與端梁剛性連接，端梁兩端裝有車輪，用以支承橋架在高架上運行。主梁上焊有軌道，供起重小車運行。

主梁結構設計從最初的箱型結構，發展到四桁架式結構，最后發展空腹桁架結構。

空腹桁架結構中最為常用的是偏軌箱形主梁，在設計上主要由工字形鋼梁做為主腹板，另外3塊副腹板形成一個空腹桁架，在桁架內部加以筋板，在橋式起重機的主梁的結構優化和輕量化設計，其實質上是對腹板及筋板的設計優化，其中較多方法是通過數學算法對加筋板的位置進行優化布置實現不均勻密度，同時將筋板使用實現最小化，并在腹板和筋板上開以減重孔。其中主要有幾種優化方法[3]。

2.1.1 副腹板改用三角形腹桿

無縫鋼管由于其中空的特性，其重量遠低于實行的鋼條，同時機械強度與相同直徑的實心鋼柱非常接近，同時抗彎曲、抗扭強度優于平面鋼板，基于上述無縫鋼管的優點，將主梁金屬結構的副腹板處改用帶豎桿的三角形腹桿體系代替，且無縫鋼管周邊無接縫的平板鋼材有較強的穩定性。在無縫鋼管三角形腹架設計中，要充分考慮各個桿的節點受力情況，由于三角形腹架不同于連續平直的平面腹板，其節點應力較為集中，所以在設計上要做到簡單緊湊、過渡平穩。在三角形腹架中的斜桿傾角一般采用45°，這樣可以實現節點平均分布配置，兩邊桿件對稱于主梁的中心位置。相連桿件的軸線的交匯點為節點的中心。為使得傳力均勻應在設計中考慮加設節點板，節點板的厚度和剛性要滿足應力傳導的要求。在無縫鋼管選擇上，要采用壁厚大于4mm一次成型的無縫鋼管，而非卷板焊接管。具體二維圖形如圖1。

圖1 新型主梁金屬結構二維圖。

2.1.2 副腹板采用波形腹板

波形腹板就是將平面的直腹板改為波形結構，從而增加腹板的承載面積，減少其他筋板的使用，實現主梁的輕量化。

在箱形主梁腹板主要受兩個方面的作用，一個是平面壓力，另一個是彎矩載荷作用，其中平面壓力最大。在平面壓力負載相同條件下，平面腹板的承載面積就是腹板的厚度乘以腹板長度，而波形腹板的承載面積是波形的波幅乘以主梁的長度。在輕量化設計時可以考慮將原來一側的平面腹板改為波形腹板。同時減少了兩側同時使用波形腹板由于波形相位不同造成主梁水平方向上產生扭曲變形[4]。

2.1.3 減重孔的開孔形狀

為最大限度的實現輕量化，可以在主支撐筋板上非重要區域增加減重孔，減重孔設計為正方形而非圓形，因為圓形同等面積下接觸面最小，不利于減重，為減少減重孔應力的集中，將正方形的直角改為圓弧角，減重孔的位置要符合主梁優化的構造，不宜在腹板邊緣進行開孔，開孔要注意孔與孔之間的距離。

2.1.4 端梁的優化設計

在端梁的優化中，主要是采用鉸接端梁的結構形式，將大車的車輪數量增加，減小輪子的直徑，可以大大降低橋架的高度，再者如果起重噸位小，可以采用單梁，主端梁連接采用定位塊+高強度螺栓塔接，安裝裝配時易于調整[5]。

2.2 橋式起重機的小車的結構優化與輕量化設計

在模塊化設計中小車是起升模塊和運行模塊兩部分組成，其結構包括起升機構、運行機構和小車架組成。

2.2.1 對小車架的結構優化設計

在前些年小車架多采用多根橫梁與兩端梁焊接成剛性結構，這種構造體積大而且笨重，同時由于是焊接，在各焊接口其金屬疲勞壽命直接關系到起重機的安全性，而且容易出現出現輪壓分配不均、車輪三點著地的狀況，這對安全作業十分不利。新型的小車架采用模塊化設計，將車輪梁與滑輪梁進行分別加工，兩者之間再通過螺栓連接，此種形式的小車架在水平方面具有較強的柔性，能夠保證小車架承受一定范圍的扭轉形變，更能保證四輪支點滿足主梁形變。而垂直方向則具有較強的剛硬度，以降低起吊重物的實際振動。具體圖形如圖2。

2.2.2 起升機構的優化設計

通過科學算法的計算，起升機構的最優方案為電機驅動，由圓柱齒輪進行傳動，帶動焊接卷筒進行鋼絲繩纏繞。在具體優化過程中，卷筒通過卷筒軸承座和減速器支座固定在兩個車輪梁之間，減速器與卷筒之間通過剛性錐形接手與卷筒法蘭板相連，這種剛性錐形接手可以實現模塊化設計，其外徑根據卷筒直徑的不同進行分類設計，其連接方式通過法蘭螺栓連接，使得卷筒成為可以進行更換的部件[6]。

圖2 新型小車架三維立體圖

卷筒做為起升機構的最重的部件，其輕量化設計中可以從材料和尺寸兩方面進行優化，在卷筒小于500mm采用無縫鋼管，若大于500mm可以采用Q35鋼板進行卷板焊接。為避免因鋼絲繩磨損卷筒，造成卷筒強度的下降，卷筒壁厚要根據鋼絲繩的直徑來確定，薄厚一般為鋼絲繩直徑1.0倍，而對于大直徑的鋼絲繩可以將卷筒壁厚降為鋼絲繩直徑的0.8～0.9倍之間。而卷筒的長度則根據小車的尺寸進行確定，大致可以采用1500mm、2500mm、4000mm等幾種規格。

鋼絲繩的重量在輕量化過程中也值得重視，鋼絲繩直徑取決于滑輪和卷筒的直徑，但是鋼絲繩也可以反過來影響滑輪組和吊鉤組的設計和選型。鋼絲繩直徑的選取是以鋼絲繩最小破斷拉力為依據，選用抗拉強度為1960MPa的高強度鋼絲繩，可以有效減小繩徑減輕重量。雖然1960MPa的高強度鋼絲繩在制造成本上高于抗拉強度為1670MPa的鋼絲繩，但是在負載相同的條件下選用1960MPa的高強度鋼絲繩要比抗拉強度為1670MPa的鋼絲繩，重量減輕30%[7]。

3 結語

總體上講，橋式起重機的輕量化結構設計，對于橋式起重機更好的適應市場的發展具有十分重要的意義，也可以更好的推動橋式起重機的升級換代，因此設計人員要給予高度的重視，通過國內外的技術借鑒和交流，實現橋式起重機在工業生產中價值的體現，推動國家裝備制造業長足發展奠定堅實的基礎。