桥式起重机结构优化与轻量化设计
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摘 要：我国的桥式起重机设计虽然起步较晚，但这些年我国的起重机设计在新材料、新技术、新方法的不断涌现下正步入高速发展的快车道，桥式起重机的结构得到充分优化，并逐步呈现出小型化、轻量化和智能化的发展趋势，本文将从桥式起重机的模块化设计方法和结构优化和轻量化概念等入手，对桥式起重机的主梁、小车等主要构件通过结构优化实现轻量化设计进行详细的阐述，希望通过本文能够给同行一些借鉴。
关键词：桥式起重机;结构优化;轻量化;设计
随着我国装备制造业的发展，起重机械作为现代工业中的“大力士”，在冶金、物流等国家重要的工业行业被大量使用，在国家装备制造中发挥着举足轻重的作用。这其中桥式起重机是最为常用的一种起重设备，被广泛的安装在大型的厂房内，我国的桥式起重机设计虽然起步较晚，但这些年我国的起重机设计在新材料、新技术、新方法的不断涌现下正步入高速发展的快车道，桥式起重机的结构得到充分优化，并逐步呈现出小型化、轻量化和智能化的发展趋势，本将主要就桥式起重机结构优化和轻量化设计展开论述[1]。
1 有关桥式起重机设计所需的技术和方法
1.1 桥式起重机的模块化设计
自从模块化设计在世纪初的德国被提出后，被各种行业借鉴，同样也在桥式起重机设计的到应用。桥式起重机的模块化设计就是将复杂的桥式起重机分解为易于通用互换的部件或模块，最大限度的满足用户的和市场的需求，同时又由于模块的相对独立性使的设计更加简洁大大节省设计费用，又由于部件或模块的可互换性大大节省了零部件的生产，最终节省了生产成本。起重机行业的龙头德马格公司将模块化设计方法用到单梁吊车的设计中，使单梁吊车的设计费用比原先降低了生产成本为原先70%。桥式起重机的模块化设计是将桥式起重机按照功能分为：控制模块、起升模块、运行模块、吊钩滑轮模块、桥架模块和小车架模块等六个模块。控制模块主要包括起重机的控制设备和控制软件。起升模块包括起升电动机、减速器、起升制动器和钢丝绳卷筒组;运行模块包括走行车轮组、走行制动器、电动机、减速器和缓冲器;吊钩滑轮模块包括吊钩、横梁、滑轮组和安全模块;桥架模块包括主梁、端梁和附属结构[2]。
1.2 结构优化法
结构优化法就是通过对工程对象按结构进行细分形成变量并优化，实现对工程对象目标化设计。结构优化法按照优化变量的种类分为三种：拓扑优化、形状优化和尺寸优化。
拓扑优化一般在设计的概念设计阶段，主要是对起重机的原理和技术的进行全新的优化。
形状优化一般发生在起重机的基础设计阶段，主要是按照客户或市场的需要进行起重机的总体、设备的选型、材料成本的设计。
尺寸优化一般发生在起重机的详细设计阶段，主要是总体起重机的框架设计结束后，具体对某一部件进行具体结构和尺寸的设计。今天本文也主要是从现状和尺寸优化两个角度出发。
1.3 轻量化设计
轻量化设计就是通过设计在工程对象功能和要求得到保证的前提下实现其的自重和零部件的轻质，使其重量和成本达到最优状态。它主要是通过轻量化材料、轻量化设计和轻量化制作技术来实现。
桥式起重机的轻量化设计主要集中在对桥架、小车和吊钩模块中进行。
2 桥式起重机的的结构优化和轻量化设计
2.1 桥式起重机的桥架的結构优化与轻量化设计
桥架是桥式起重机的重要构件，它的重量占桥式起重机总重的60-70%，因此对桥式起重机的桥架进行结构优化实现轻量化，对于起重机总体的轻量化起着关键性作用。
桥架做为起重机的关键部件其中主要构件就是主梁，主梁结构有单主梁和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。
主梁结构设计从最初的箱型结构，发展到四桁架式结构，最后发展空腹桁架结构。
空腹桁架结构中最为常用的是偏轨箱形主梁，在设计上主要由工字形钢梁做为主腹板，另外3块副腹板形成一个空腹桁架，在桁架内部加以筋板，在桥式起重机的主梁的结构优化和轻量化设计，其实质上是对腹板及筋板的设计优化，其中较多方法是通过数学算法对加筋板的位置进行优化布置实现不均匀密度，同时将筋板使用实现最小化，并在腹板和筋板上开以减重孔。其中主要有几种优化方法[3]。
2.1.1 副腹板改用三角形腹杆
无缝钢管由于其中空的特性，其重量远低于实行的钢条，同时机械强度与相同直径的实心钢柱非常接近，同时抗弯曲、抗扭强度优于平面钢板，基于上述无缝钢管的优点，将主梁金属结构的副腹板处改用带竖杆的三角形腹杆体系代替，且无缝钢管周边无接缝的平板钢材有较强的稳定性。在无缝钢管三角形腹架设计中，要充分考虑各个杆的节点受力情况，由于三角形腹架不同于连续平直的平面腹板，其节点应力较为集中，所以在设计上要做到简单紧凑、过渡平稳。在三角形腹架中的斜杆倾角一般采用45°，这样可以实现节点平均分布配置，两边杆件对称于主梁的中心位置。相连杆件的轴线的交汇点为节点的中心。为使得传力均匀应在设计中考虑加设节点板，节点板的厚度和刚性要满足应力传导的要求。在无缝钢管选择上，要采用壁厚大于4mm一次成型的无缝钢管，而非卷板焊接管。具体二维图形如图1。
2.1.2 副腹板采用波形腹板
波形腹板就是将平面的直腹板改为波形结构，从而增加腹板的承载面积，减少其他筋板的使用，实现主梁的轻量化。
在箱形主梁腹板主要受两个方面的作用，一个是平面压力，另一个是弯矩载荷作用，其中平面压力最大。在平面压力负载相同条件下，平面腹板的承载面积就是腹板的厚度乘以腹板长度，而波形腹板的承载面积是波形的波幅乘以主梁的长度。在轻量化设计时可以考虑将原来一侧的平面腹板改为波形腹板。同时减少了两侧同时使用波形腹板由于波形相位不同造成主梁水平方向上产生扭曲变形[4]。 2.1.3 减重孔的开孔形状
为最大限度的实现轻量化，可以在主支撑筋板上非重要区域增加减重孔，减重孔设计为正方形而非圆形，因为圆形同等面积下接触面最小，不利于减重，为减少减重孔应力的集中，将正方形的直角改为圆弧角，减重孔的位置要符合主梁优化的构造，不宜在腹板边缘进行开孔，开孔要注意孔与孔之间的距离。
2.1.4端梁的优化设计
在端梁的优化中，主要是采用铰接端梁的结构形式，将大车的车轮数量增加，减小轮子的直径，可以大大降低桥架的高度，再者如果起重吨位小，可以采用单梁，主端梁连接采用定位块+高强度螺栓塔接，安装装配时易于调整[5]。
2.2 桥式起重机的小车的结构优化与轻量化设计
在模块化设计中小车是起升模块和运行模块两部分组成，其结构包括起升机构、运行机构和小车架组成。
2.2.1 对小车架的结构优化设计
在前些年小车架多采用多根横梁与两端梁焊接成刚性结构，这种构造体积大而且笨重，同时由于是焊接，在各焊接口其金属疲劳寿命直接关系到起重机的安全性，而且容易出现出现轮压分配不均、车轮三点着地的状况，这对安全作业十分不利。新型的小车架采用模块化设计，将车轮梁与滑轮梁进行分别加工，两者之间再通过螺栓连接，此种形式的小车架在水平方面具有较强的柔性，能够保证小车架承受一定范围的扭转形变，更能保证四轮支点满足主梁形变。而垂直方向则具有较强的刚硬度，以降低起吊重物的实际振动。具体图形如图2。
2.2.2 起升机构的优化设计
通过科学算法的计算，起升机构的最优方案为电机驱动，由圆柱齿轮进行传动，带动焊接卷筒进行钢丝绳缠绕。在具体优化过程中，卷筒通过卷筒轴承座和减速器支座固定在两个车轮梁之间，减速器與卷筒之间通过刚性锥形接手与卷筒法兰板相连，这种刚性锥形接手可以实现模块化设计，其外径根据卷筒直径的不同进行分类设计，其连接方式通过法兰螺栓连接，使得卷筒成为可以进行更换的部件[6]。
卷筒做为起升机构的最重的部件，其轻量化设计中可以从材料和尺寸两方面进行优化，在卷筒小于500mm采用无缝钢管，若大于500mm可以采用Q35钢板进行卷板焊接。为避免因钢丝绳磨损卷筒，造成卷筒强度的下降，卷筒壁厚要根据钢丝绳的直径来确定，薄厚一般为钢丝绳直径1.0倍，而对于大直径的钢丝绳可以将卷筒壁厚降为钢丝绳直径的0.8～0.9倍之间。而卷筒的长度则根据小车的尺寸进行确定，大致可以采用1500mm、2500mm、4000mm等几种规格。
钢丝绳的重量在轻量化过程中也值得重视，钢丝绳直径取决于滑轮和卷筒的直径，但是钢丝绳也可以反过来影响滑轮组和吊钩组的设计和选型。钢丝绳直径的选取是以钢丝绳最小破断拉力为依据，选用抗拉强度为1960MPa的高强度钢丝绳，可以有效减小绳径减轻重量。虽然1960MPa的高强度钢丝绳在制造成本上高于抗拉强度为1670MPa的钢丝绳，但是在负载相同的条件下选用1960MPa的高强度钢丝绳要比抗拉强度为1670MPa的钢丝绳，重量减轻30%[7]。
3结语
总体上讲，桥式起重机的轻量化结构设计，对于桥式起重机更好的适应市场的发展具有十分重要的意义，也可以更好的推动桥式起重机的升级换代，因此设计人员要给予高度的重视，通过国内外的技术借鉴和交流，实现桥式起重机在工业生产中价值的体现，推动国家装备制造业长足发展奠定坚实的基础。
参考文献
[1] 张青，张瑞军.工程起重机结构与设计[M].北京：化学工业出版社，2008.
[2] 董达善.起重机械金属结构[M].上海：上海交通大学出版社，2011.
[3] 黄荣星，王虎奇，罗锡荣.基于ANSYS的桥式起重机主梁有限元分析及结构改进[J].机械研究与应用，2012（6）：52-54.
[4] 程文明，李亚民，张则强.桥式起重机与门式起重机轻量化设计的关键要素[J].中国工程机械学报，2012，10（1）：41-49.
[5] 李佐斌.基于拓扑优化的桥式起重机新型主梁设计[J].机械设计与制造，2017（10）：175-178.
[6] 安存胜，聂福全.桥式起重机轻量化技术与智能化技术的应用[J].工程机械与维修，2015（5）：62-64.
[7] 郝芳芳，范小宁，智博.基于灵敏度附加目标函数的起重机主梁稳健优化设计[J].机械强度，2017，39（6）：1385-1390.
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