懸臂的發展與優化

摘要：當前，輕型起重機競爭越來越激烈，客戶對其要求也越來越高，因此，在滿足設計要求的前提下，懸臂機構也在不斷進行合理優化，以使結構更加輕巧，外觀更加美觀，生產成本有效降低，從而在市場上更加具有競爭力。為進一步了解懸臂的發展和優化過程，對其經歷的幾個階段進行了分析和總結。

關鍵詞：起重機;懸臂;鋁軌;不銹鋼;機械手

0? ? 引言

起重機是一種通過起升和移動所吊運的物品完成搬運作業的機械，又稱為“吊車”。其工作特點是做間歇性運動，即在一個工作循環中完成取料、移動、卸載等動作。中國古代灌溉農田用的桔槔就是臂架型起重機的雛形，發展至今，對于各種類型的起重機國家都出臺了相應的標準，可以說是相當完善了。目前起重機行業日漸繁盛，逐漸被更多的人所關注，發展也越來越迅速，現在中國是世界上最大的起重機市場。

隨著設計軟件和計算方法的不斷優化，各種有限元分析方法的普及，起重機已經從當年的“傻大粗”逐漸向“輕小細”轉變，現在我們要求起重機降低外形高度、簡化結構、減輕自重，這樣可以降低建筑物的高度，使建筑結構輕型化，節約廠房建造成本。起重機除了向輕小型發展外，還在向模塊化、系列化發展，這樣不僅僅可以提高機構、部件和零件之間的匹配性，還能縮短起重機的生產周期，并且可以達到快速更換零件的效果。

目前比較高端的要屬智能起重機，這種新型起重機可以自動找重物重心，自動抓取貨物，自動完成重物在產品線的運送，目前其主要的研究方向在于安全監控和故障診斷、精確定位和智能防擺、遙控技術、智能防撞以及機器人化。智能起重機可以在一些危險系數高的工況下代替人來完成工作，其不僅可以提高工作效率，而且可以減少安全事故。

本文以懸臂吊為例，先整體做個介紹，然后以懸臂為主要介紹方向，分析它如何一步步地進行優化，如何向輕小型發展，如何使結構更加合理，使用更加方便，從而在市場上具備更強的競爭力。

1? ? 懸臂吊概述

懸臂吊屬于輕型起重機系列，設計制造遵循行業標準《懸臂起重機》（JB/T 8906—2014），結構比較簡單，由立柱、懸臂、回轉機構、起重機構以及電氣元件構成。市場上一般懸臂吊的立柱主體都采用圓管、方管或者H型鋼，懸臂的結構形式就比較多樣化了，這主要是為了滿足客戶多方面的需求，回轉機構大都使用軸承進行工作，市面上很多產品都使用電動葫蘆或者氣動葫蘆作為起重機構，電氣元件是為了保證設備能夠正常運作，懸臂吊的固定通常采用預埋基礎或者大底板實現。

2? ? 懸臂發展的初級階段

剛開始懸臂吊都是仿照蘇聯的設計，當時國內主要都是以工字鋼為主梁，由于工字鋼的特性，寬度比較小，導致其水平慣性矩都比較小，所以當設備有較大水平力的時候就會有很大的水平偏移，也就是設備使用過程中的抖動比較大。還有一點就是，工字鋼的寬度較小會導致葫蘆行走時局部應力比較大，容易造成應力超過許用應力，設備存在危險，這類懸臂就需要進行翼緣的局部加強。盡管存在這樣的不足，但由于工字鋼是市面上的常用型材，采購比較方便，相比于非常規型材的生產，采用工字鋼可以縮短設備的制作周期。

針對工字鋼水平慣性矩比較弱的缺點，此類懸臂吊發展出了一種工字鋼包梁，如圖1所示，它由U型梁、側板、工字鋼三部分組成，從結構就可以看出，設計者可以通過控制包梁高度控制垂直慣性矩，通過控制包梁的寬度來控制水平慣性矩，這樣我們就可以設計較大規格的懸臂吊。

包梁確實可以使設備的使用范圍增大，但是我們設計包梁的時候通常會在靠近立柱的那側設計一個強有力的支撐板用來改善受力，由于此支撐板的存在我們的內盲區（靠近支撐板那側）就會偏大，導致葫蘆的運動范圍變小，并且此包梁還有兩個我們不得不考慮的問題：一個是包梁的制作工藝比較復雜，焊接長度更長，工藝更加繁瑣，需要保證的制作尺寸更多;另外一個就是包梁組成部分較多，重量也就大，設備就會顯得更加笨重。

針對這些我們設計了桁架式結構，如圖2所示，其屬于斜拉式結構，上部分的斜拉可以很好地減少懸臂的整體變形，并且對改善應力也有很大的幫助，但是上部分這種結構在懸臂中間增加了很多斜撐，此部分屬于力學結構中的超靜定結構，計算比較復雜，如果每次設計都進行如此大量的計算，很明顯不合適，所以就需要用合適的工具進行優化。這種結構很明顯懸臂重量大大減輕，看起來輕巧得多，而且受力也好很多，但這種結構由于主體還是采用的工字鋼，并且還是小規格的，因此還是會存在水平方向受力比較弱的缺陷。再者，它屬于斜拉式結構，這種結構做出來的設備，同等起升高度下總高會比下支撐的要高出不少，所以是否采用這種結構，對于現場高度存在限制的工況要慎重考慮。

3? ? 懸臂發展的第二階段

由于工字鋼寬度較小的特性，我們急需在市場上找到一個替代的產品，我們發現H型鋼種類更多，并且H型鋼下翼緣的可選性更大，它不僅形狀更加規則，而且下翼緣的厚度也厚得多，葫蘆小車行走時不容易發生應力集中，設備的安全性也更高。另外，以前使用的工字鋼包梁也完全被摒棄，改而采用全新的歐式箱型結構，如圖3所示。

與傳統的包梁比較，箱型結構具有以下特點：結構非常簡單，就是由4塊板材拼接而成，自重輕，4塊板材全部采用國內通用板材，材料利用率高，可采用半自動焊接，焊接效率高，焊道更加工整美觀，但是箱型梁不像H型鋼或者工字鋼是一次成型，屬于焊接而成，因此會存在板材平面翹曲，導致主梁彎曲過大或者彎曲過小，故而其對焊接工藝和焊接經驗要求都會比較高一些，但是從成品來看箱型結構比起包梁結構還是很有競爭優勢的。

對于桁架式結構我們也可以進行改進，在起重量不大、臂長不長的情況下，懸臂直接用一個斜拉桿就可以起到相應的支撐作用。老式的那種桁架式結構，我們可以用Ansys有限元軟件進行分析，對于圖4所示兩根斜拉桿的結構和圖2所示的老式結構，兩者分析下來可以發現懸臂的變形量相差很小，應力差得也不多，而老式結構可能會存在應力集中現象，并且老式結構由于支撐都是用槽鋼制作，邊角很多位置焊接不易，容易產生飛濺，焊道不美觀，新式結構的斜拉桿都是用扁鐵制作，屬于直線焊縫，焊接難度低，焊縫質量容易保證，但是這種結構還是不可避免地存在同等起升高度設備總高偏高的現象。

4? ? 懸臂發展的第三階段

隨著近階段汽車行業與食品行業的發展，客戶對于設備的清潔度要求進一步提高，對鋁合金及不銹鋼材料的需求也在慢慢增加，懸臂材質已經從鐵向鋁或不銹鋼慢慢轉變，雖然說懸臂主體是鋁型材，但是懸臂上還是會有一部分鐵件存在，這樣就不能采用焊接工藝了，此狀態下的懸臂不管是下支撐的還是斜拉式的，都會采用銷軸或者螺栓進行連接。我們所指的鋁型材不是常規的鋁方管，而是某些廠家特地定制的鋁軌道，此軌道兩側都有相應的凹槽（圖5），并且軌道下部分是開口的，以便小車在其中行走，葫蘆也可以很方便地掛于小車之上。鋁型材和小車塑料車輪的摩擦系數特別低，因此行走的摩擦力特別小，使用起來特別輕巧，小車在懸臂中行走的噪聲更小，使用壽命更長。

常規意義的斜拉由于都是焊接成型的，因此如果懸臂上翹或者下垂得比較厲害，行走在軌道上的小車就容易溜車，焊接式的懸臂為了保證不溜車通常會專門設計一套焊接工裝來保證尺寸。而鋁軌系列斜拉桿（圖6）是由型材與絲桿組合而成，這種組合可以通過絲桿調節斜拉桿的長度，可以更好地保證設備最終安裝完畢之后懸臂的水平。但是由于這種機構比較復雜，有較多的加工件，因此從成本上來說還是較高的，不過其使用體驗肯定要好得多。

5? ? 懸臂發展的第四階段

目前隨著客戶需求的變化，更多種類的懸臂衍生了出來，比如折臂式的懸臂，此類結構不用的時候可以折疊收納，節省空間;比如鋼絲繩葫蘆的后置懸臂，這種結構可以減小懸臂型材的型號，結構更加輕巧，成本更低;還有伸縮式的懸臂，這種結構更加復雜。除了電動葫蘆與懸臂的組合，越來越多的客戶開始使用氣動葫蘆或者氣動平衡吊，還有各種智能懸臂可以滿足不同客戶的不同需求。針對汽車生產線自動化要求特別高的情況，懸臂衍生了一個特殊分支——機械手，此類懸臂可以滿足客戶的各種自動化要求，基本上可以做到一個指令完成一整套動作，實現無人化生產。

6? ? 結語

針對常規輕型起重機中的懸臂吊，本文著重對懸臂的發展和優化歷程進行了介紹，其實懸臂的發展過程也就是我們對其不斷進行優化的一個過程，其一步一步地從“傻大粗”逐步向“輕小細”轉換，設備可以實現的功能也越來越多，可以更多地滿足不同客戶的不同需求。智能化是將來設備發展的必然趨勢，懸臂也必然要往這個方向發展，只有滿足客戶的需求，符合市場發展規律，做出結構更加輕巧、價格更加低廉的設備，才能順應時代的潮流，更加具有競爭力，不被市場所淘汰。

收稿日期：2020-03-23

作者簡介：季彬（1986—），男，江蘇泰州人，工程師，研究方向：機械設計制造。