摘 要：我國(guó)的橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)雖然起步較晚，但這些年我國(guó)的起重機(jī)設(shè)計(jì)在新材料、新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)下正步入高速發(fā)展的快車道，橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)得到充分優(yōu)化，并逐步呈現(xiàn)出小型化、輕量化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，本文將從橋式起重機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化概念等入手，對(duì)橋式起重機(jī)的主梁、小車等主要構(gòu)件通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，希望通過本文能夠給同行一些借鑒。
關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;輕量化;設(shè)計(jì)
隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展，起重機(jī)械作為現(xiàn)代工業(yè)中的“大力士”，在冶金、物流等國(guó)家重要的工業(yè)行業(yè)被大量使用，在國(guó)家裝備制造中發(fā)揮著舉足輕重的作用。這其中橋式起重機(jī)是最為常用的一種起重設(shè)備，被廣泛的安裝在大型的廠房?jī)?nèi)，我國(guó)的橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)雖然起步較晚，但這些年我國(guó)的起重機(jī)設(shè)計(jì)在新材料、新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)下正步入高速發(fā)展的快車道，橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)得到充分優(yōu)化，并逐步呈現(xiàn)出小型化、輕量化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，本將主要就橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)展開論述[1]。
1 有關(guān)橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)所需的技術(shù)和方法
1.1 橋式起重機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)
自從模塊化設(shè)計(jì)在世紀(jì)初的德國(guó)被提出后，被各種行業(yè)借鑒，同樣也在橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)的到應(yīng)用。橋式起重機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)就是將復(fù)雜的橋式起重機(jī)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(chǎng)的需求，同時(shí)又由于模塊的相對(duì)獨(dú)立性使的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔大大節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用，又由于部件或模塊的可互換性大大節(jié)省了零部件的生產(chǎn)，最終節(jié)省了生產(chǎn)成本。起重機(jī)行業(yè)的龍頭德馬格公司將模塊化設(shè)計(jì)方法用到單梁吊車的設(shè)計(jì)中，使單梁吊車的設(shè)計(jì)費(fèi)用比原先降低了生產(chǎn)成本為原先70%。橋式起重機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)是將橋式起重機(jī)按照功能分為：控制模塊、起升模塊、運(yùn)行模塊、吊鉤滑輪模塊、橋架模塊和小車架模塊等六個(gè)模塊。控制模塊主要包括起重機(jī)的控制設(shè)備和控制軟件。起升模塊包括起升電動(dòng)機(jī)、減速器、起升制動(dòng)器和鋼絲繩卷筒組;運(yùn)行模塊包括走行車輪組、走行制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、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(jié)構(gòu)[2]。
1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化法
結(jié)構(gòu)優(yōu)化法就是通過對(duì)工程對(duì)象按結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)分形成變量并優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程對(duì)象目標(biāo)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化法按照優(yōu)化變量的種類分為三種：拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。
拓?fù)鋬?yōu)化一般在設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)階段，主要是對(duì)起重機(jī)的原理和技術(shù)的進(jìn)行全新的優(yōu)化。
形狀優(yōu)化一般發(fā)生在起重機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，主要是按照客戶或市場(chǎng)的需要進(jìn)行起重機(jī)的總體、設(shè)備的選型、材料成本的設(shè)計(jì)。
尺寸優(yōu)化一般發(fā)生在起重機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，主要是總體起重機(jī)的框架設(shè)計(jì)結(jié)束后，具體對(duì)某一部件進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計(jì)。今天本文也主要是從現(xiàn)狀和尺寸優(yōu)化兩個(gè)角度出發(fā)。
1.3 輕量化設(shè)計(jì)
輕量化設(shè)計(jì)就是通過設(shè)計(jì)在工程對(duì)象功能和要求得到保證的前提下實(shí)現(xiàn)其的自重和零部件的輕質(zhì)，使其重量和成本達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。它主要是通過輕量化材料、輕量化設(shè)計(jì)和輕量化制作技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
橋式起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)主要集中在對(duì)橋架、小車和吊鉤模塊中進(jìn)行。
2 橋式起重機(jī)的的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)
2.1 橋式起重機(jī)的橋架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計(jì)
橋架是橋式起重機(jī)的重要構(gòu)件，它的重量占橋式起重機(jī)總重的60-70%，因此對(duì)橋式起重機(jī)的橋架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)輕量化，對(duì)于起重機(jī)總體的輕量化起著關(guān)鍵性作用。
橋架做為起重機(jī)的關(guān)鍵部件其中主要構(gòu)件就是主梁，主梁結(jié)構(gòu)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(yùn)行。主梁上焊有軌道，供起重小車運(yùn)行。
主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從最初的箱型結(jié)構(gòu)，發(fā)展到四桁架式結(jié)構(gòu)，最后發(fā)展空腹桁架結(jié)構(gòu)。
空腹桁架結(jié)構(gòu)中最為常用的是偏軌箱形主梁，在設(shè)計(jì)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(gè)空腹桁架，在桁架內(nèi)部加以筋板，在橋式起重機(jī)的主梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)上是對(duì)腹板及筋板的設(shè)計(jì)優(yōu)化，其中較多方法是通過數(shù)學(xué)算法對(duì)加筋板的位置進(jìn)行優(yōu)化布置實(shí)現(xiàn)不均勻密度，同時(shí)將筋板使用實(shí)現(xiàn)最小化，并在腹板和筋板上開以減重孔。其中主要有幾種優(yōu)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(yuǎn)低于實(shí)行的鋼條，同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度與相同直徑的實(shí)心鋼柱非常接近，同時(shí)抗彎曲、抗扭強(qiáng)度優(yōu)于平面鋼板，基于上述無縫鋼管的優(yōu)點(diǎn)，將主梁金屬結(jié)構(gòu)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(qiáng)的穩(wěn)定性。在無縫鋼管三角形腹架設(shè)計(jì)中，要充分考慮各個(gè)桿的節(jié)點(diǎn)受力情況，由于三角形腹架不同于連續(xù)平直的平面腹板，其節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較為集中，所以在設(shè)計(jì)上要做到簡(jiǎn)單緊湊、過渡平穩(wěn)。在三角形腹架中的斜桿傾角一般采用45°，這樣可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)平均分布配置，兩邊桿件對(duì)稱于主梁的中心位置。相連桿件的軸線的交匯點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的中心。為使得傳力均勻應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮加設(shè)節(jié)點(diǎn)板，節(jié)點(diǎn)板的厚度和剛性要滿足應(yīng)力傳導(dǎo)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。
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(jié)構(gòu)，從而增加腹板的承載面積，減少其他筋板的使用，實(shí)現(xiàn)主梁的輕量化。
在箱形主梁腹板主要受兩個(gè)方面的作用，一個(gè)是平面壓力，另一個(gè)是彎矩載荷作用，其中平面壓力最大。在平面壓力負(fù)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(zhǎng)度，而波形腹板的承載面積是波形的波幅乘以主梁的長(zhǎng)度。在輕量化設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將原來一側(cè)的平面腹板改為波形腹板。同時(shí)減少了兩側(cè)同時(shí)使用波形腹板由于波形相位不同造成主梁水平方向上產(chǎn)生扭曲變形[4]。 2.1.3 減重孔的開孔形狀
為最大限度的實(shí)現(xiàn)輕量化，可以在主支撐筋板上非重要區(qū)域增加減重孔，減重孔設(shè)計(jì)為正方形而非圓形，因?yàn)閳A形同等面積下接觸面最小，不利于減重，為減少減重孔應(yīng)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(yōu)化的構(gòu)造，不宜在腹板邊緣進(jìn)行開孔，開孔要注意孔與孔之間的距離。
2.1.4端梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)
在端梁的優(yōu)化中，主要是采用鉸接端梁的結(jié)構(gòu)形式，將大車的車輪數(shù)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(qiáng)度螺栓塔接，安裝裝配時(shí)易于調(diào)整[5]。
2.2 橋式起重機(jī)的小車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計(jì)
在模塊化設(shè)計(jì)中小車是起升模塊和運(yùn)行模塊兩部分組成，其結(jié)構(gòu)包括起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車架組成。
2.2.1 對(duì)小車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
在前些年小車架多采用多根橫梁與兩端梁焊接成剛性結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)造體積大而且笨重，同時(shí)由于是焊接，在各焊接口其金屬疲勞壽命直接關(guān)系到起重機(jī)的安全性，而且容易出現(xiàn)出現(xiàn)輪壓分配不均、車輪三點(diǎn)著地的狀況，這對(duì)安全作業(yè)十分不利。新型的小車架采用模塊化設(shè)計(jì)，將車輪梁與滑輪梁進(jìn)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(qiáng)的柔性，能夠保證小車架承受一定范圍的扭轉(zhuǎn)形變，更能保證四輪支點(diǎn)滿足主梁形變。而垂直方向則具有較強(qiáng)的剛硬度，以降低起吊重物的實(shí)際振動(dòng)。具體圖形如圖2。
2.2.2 起升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過科學(xué)算法的計(jì)算，起升機(jī)構(gòu)的最優(yōu)方案為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由圓柱齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，帶動(dòng)焊接卷筒進(jìn)行鋼絲繩纏繞。在具體優(yōu)化過程中，卷筒通過卷筒軸承座和減速器支座固定在兩個(gè)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(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，其外徑根據(jù)卷筒直徑的不同進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，其連接方式通過法蘭螺栓連接，使得卷筒成為可以進(jìn)行更換的部件[6]。
卷筒做為起升機(jī)構(gòu)的最重的部件，其輕量化設(shè)計(jì)中可以從材料和尺寸兩方面進(jìn)行優(yōu)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(jìn)行卷板焊接。為避免因鋼絲繩磨損卷筒，造成卷筒強(qiáng)度的下降，卷筒壁厚要根據(jù)鋼絲繩的直徑來確定，薄厚一般為鋼絲繩直徑1.0倍，而對(duì)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(zhǎng)度則根據(jù)小車的尺寸進(jìn)行確定，大致可以采用1500mm、2500mm、4000mm等幾種規(guī)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(shè)計(jì)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(jù)，選用抗拉強(qiáng)度為1960MPa的高強(qiáng)度鋼絲繩，可以有效減小繩徑減輕重量。雖然1960MPa的高強(qiáng)度鋼絲繩在制造成本上高于抗拉強(qiáng)度為1670MPa的鋼絲繩，但是在負(fù)載相同的條件下選用1960MPa的高強(qiáng)度鋼絲繩要比抗拉強(qiáng)度為1670MPa的鋼絲繩，重量減輕30%[7]。
3結(jié)語
總體上講，橋式起重機(jī)的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于橋式起重機(jī)更好的適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展具有十分重要的意義，也可以更好的推動(dòng)橋式起重機(jī)的升級(jí)換代，因此設(shè)計(jì)人員要給予高度的重視，通過國(guó)內(nèi)外的技術(shù)借鑒和交流，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中價(jià)值的體現(xiàn)，推動(dòng)國(guó)家裝備制造業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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