桥式起重机箱形梁的优化设计探讨王晨 （半岛（天津）起重设备有限公司，天津 300353） 摘要：随着各个行业现代化进程的推进及机械工程的持续发展，起重机发挥着重要的作用。但是我国的起重机在结构设计上有很多需要提高的地方，并且存在成本高、资源浪费严重等问题。为了进一步提高起重机的质量，本文对起重机箱形梁的柱梁结构优化方案进行了探讨分析。 关键词：桥式起重机；箱形梁；优化设计 起重机是在许多行业中发挥着重要作用，起重机可以最大限度地减轻体力劳动、提高工作效率，并且有力保障生产安全。起重机的作用就是在一定范围内将重物进行水平或者垂直移动，可以循环作业。在对桥式起重机主梁进行结构优化设计的过程中，我们选取的主要研究方面是对起重机主梁进行优化，以降低主梁重量，从而达到让起重机更加轻捷灵便的目的。改进主梁结构设计，可以让起重机的结构更加合理，从而让起重机自身变得更加轻便，在起重机生产方面可以有效降低成本、节约资源，并且还可以极大地提高起重机运行的稳定性和安全性。通过改进结构实现节约能源和节省材料这一目的对整个行业具有现实意义。 我国起重机结构设计存在成本高、浪费严重等问题。随着技术的不断完善进步，我们对于箱型梁主梁的研究会更加透彻和深入，也会逐渐得到更加完善的优化设计方案。为了进一步提高国内起重机的质量，本文介绍了桥式起重机的概念，对起重机箱形梁的柱梁结构优化方案进行了探讨分析。 1 桥式起重机箱形梁简介桥式起重机得名于其桥梁式结构，它能够沿着固定轨道滑行的方式运载重物。桥式起重机在建筑行业应用非常广泛，在运输当中可以避免受地面上的设备的阻碍，当下国内外应用最广泛的起重机结构是箱梁型。桥式起重机工作时将它的两端固定在坚固的水泥或者金属架上，通过这种方式在各种满足条件的场所进行高空重物的运输。 2 对于桥式起重机主梁结构的研究桥式起重机的种类繁多，具有多种分类方式。按照主梁数量可以区分为单梁桥架和双梁桥架；从结构设计角度可以划分成箱式结构桥架、型钢梁式桥架，精架式桥架。每一种结构形式的桥架都具有自身的功能特点，比如具有广泛应用价值的箱形结构桥架生产简单、工艺简洁、可以适应多种工作需要等优点，但是它重量较大，水平强度较低，进行内部焊接时比较麻烦，有的位置焊缝使用寿命不长、比较容易开裂，影响了工作效率。另一种结构的主梁为型钢梁，采用工字钢这种材料制作，设计非常简单，机器质量较小。随着不断更新的工艺、日新月异的设计方法和新型结构，型钢梁的这些缺点正在逐步减少。所以，设计桥式起重机的桥架结构时在以下几个方面有严格的要求：（1）尽可能地降低桥架的自身重量，这对应用以及成本控制有重要意义。（2）桥架一定要和大车小车密切配合，保证机器顺利运行。（3）主梁的强度和硬度要足够高，以保证正常运转和生产安全。 在国内外的桥架主梁领域，以箱形截面的双腹梁式和四桁架式为主，根据以上两种形式的主梁衍生出很多的类型。箱形截面的板梁式桥架在我国应用非常广泛，我国生产的桥式起重机桥架结构均应用了这个起重机的设计。这种桥架的结构优点是结构高度较小，可以适应不同的工艺和工作场所的需要，同时这种简单的结构也方便进行安装、维护和批量生产，缺点是自身重量大，不方便移动。在稳定性和安全性角度考虑，可以在箱型架构设计中分别在横、纵两个方向加入加强筋，在提高稳定性的基础上，对整个构件强度的影响不明显，表现在以下几个方面。（1）在截面中加入纵向加强筋显然对截面的特性产生影响，对截面产生影响之后，必然改变原有的刚度和强度。经过实验论证之后发现，加强筋引起的正应力减小量低于 10%，纵向加强筋对剪应力基本没有影响。（2）在相应的公式分析中可以看出，增加横向加强筋之后，截面的性质发生了明显变化，但是经实验证明，整个结构的刚度和强度变化不大。通过有限元程序分析可以得知，横向加强筋对刚度和强度的影响可以忽略不计。 3 具体改进方案桥式起重机的优化改进方案严格按照国家标准执行，提高机器性能的同时也保证了机器运转的安全稳定。起重机改进的主要方向是改变了主梁的厚度和宽度、电动葫芦的体积等主要相关部件，通过改进可以使起重机的性能得到提升，也减轻起重机的质量和体积以方便应用，从而可以节约工作空间，适应多种工作场所。在进行改进方案设计时，我们也向国外先进模式进行学习，通过研究国外起重机的工艺参数提高自己的技术，结合我国实际情况，综合考虑成本、需要、生产和制造条件开发国产的起重机。学习外国先进的设计理念，自主研发了“三合一”技术，将进口的减速器安置在端梁内侧，避免了振动对驱动装置的影响，这一技术的改进和提高，让整个机器的性能有了长足的进步，让整个结构设计更加紧密合理，方便了机器的使用和维护。 在桥式起重机主梁改进的过程中，我们着眼于起重机轻量化改造。主梁是起重机的关键部位，其轻量化对起重机整体性能和安全系数的提高有着重要的作用。主梁的优化改进方案的主要方向是通过改变主梁箱型截面的尺寸，不断尝试、探索计算出相应的参数，以使主梁的轻量化达到最好的效果。某厂家生产的通用型桥式起重机的主梁采用的是半偏轨式结构设计，这个设计相比于传统设计更加简洁明了，更加方便生产、维护，明显提高了机器的性能。 随着计算机和数值方法的飞速进步，优化设计在很多领域都得到应用，比如冶金、轮船制造、航天、钢铁工业等大型制造业上。优化设计的优势就在于通过数值模拟和计算机得到最好的参数和设计方案，以实现结构升级、提高效率的最终目的。计算机运算速度的加快和算法结构的整体优化，优化设计在各个领域的应用越来越广。优化设计已经从机构运动参数设计拓展到为机构动力学、机械零件和产品上。之前的优化设计方法以梯度法为主，而目前已经升级到可以运用非线性规划的方法，比如神经网络算法，模拟退火算法。伴随着以人工智能为基础的智能运用水平的提高，优化设计的可行性也大大增加。 在优化设计过程中首先要对主梁的参数进行统计分析，而这是准确进行优化设计的第一步。主梁是一个封闭的箱型结构，由盖板、下盖板、端板、腹板、隔板焊接而成。各部分之间是靠刚性连接，在划分单元网格时，要兼顾精密度、经济性和实际性多个因素。虽然，将单元网格划分得更紧密，计算准确度就更高，但是考虑到时间成本和经济成本，实际应用中不必将单元网格划分的过于精细。 我们将箱型梁主梁当做简支梁进行研究,右端简支，左端固定。在研究过程中，我们选择小车满载于主梁中央的时候进行研究，因为此时驻留承受压力最大，最容易出现事故。满载时小车在主梁轨道上滑行，这就需要考虑制动产生的惯性力和主梁的自身重量。我们首先要设计出合适的单元模型来模拟主梁结构。另外，对主梁的结构进行静力分析，从而找到最大负荷下的最大应力和最大形变。获得的数据对于强度和刚度的检测非常有帮助，进一步可以得出优化方案。 除上述问题之外，完成优化还需要进行输入输出参数的设置，这个关系到求解是否准确。 优化设计的最理想结果是综合设计能力简洁易行，模型再现准确灵活运用，求解分析准确高效，同时还需要些收敛性良好。 4 优化结果分析通过主梁的结构划分单元模型的优化设计以及计算机的程序计算，主梁的重量减轻了 900 多千克，这个结果达到了我们预期目的。我们的优化设计方案，不仅在重量上得以体现，在主梁的承载强度和稳定性上也取得了非常好的效果。优化设计节约了原材料和成本，让国产工业前进一大步，同时也为生产厂家带来了巨大的效益。 5 结语我们优化设计的目的就是让起重机的性能逐步提升，达到最佳状态。桥式起重机箱型梁的设计优化仍然还有很多值得提高的地方，随着科技工作者不断的努力和技术的不断完善进步，我们对于箱型梁主梁的研究会更加透彻和深入，也会逐渐得到更加完善的优化设计方案，今后的起重机将会更加先进。通过不断的更新和提高技术，我国机械制造一定会有长足的进步和发展，桥式起重机将会更加轻便，更加稳定，工作效率会更高。 参考文献： [1]秦东晨，袁华，任泰安 .复杂箱形梁初级优化设计的一种方法 [J].郑州工业大学学报，1997，18（4）：47 ～ 52. [2]杜群贵，杜业威 .龙门架钢结构有限元分析及其技术处理 [J].起重运输机械，2006，（1）：11-12 [3]范小宁，程慧，徐格宁 .基于退火遗传算法的桥式起重机主梁优化设计软件实现 [J].起重运输机械，2013，05（05）：53-55. [4]戚其松，范小宁，徐格宁，等 .基于 Ansys 的门式起重机主梁优化设计 [J].起重运输机械，2013，08（08）：34-35. 中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2017）03（下）-0064-02 |
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