金梁斌

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003）

輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備橋式起重機(jī)吊架力學(xué)特性研究

金梁斌

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003）

以輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備集中驅(qū)動(dòng)橋式起重機(jī)吊架為研究對(duì)象，針對(duì)通過(guò)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的橋式起重機(jī)吊架，采用有限單元法對(duì)吊架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度考核，并進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)強(qiáng)度和剛度分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)傳統(tǒng)手段設(shè)計(jì)出的吊架具有較大的安全富裕度，造成一定的資源浪費(fèi)，可進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)模態(tài)分析可直觀地分析吊架的動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，有意識(shí)地避開(kāi)吊架的固有頻率，以免發(fā)生共振。

橋式起重機(jī)；有限單元法；剛度分析；強(qiáng)度分析；模態(tài)分析；固有頻率

0 引言

自動(dòng)化傳輸設(shè)備主要將生產(chǎn)出的產(chǎn)品按工藝要求對(duì)各生產(chǎn)線設(shè)備布局和分工，全自動(dòng)地分配給后續(xù)各設(shè)備加工生產(chǎn)的一套生產(chǎn)管理及控制系統(tǒng)的傳送設(shè)施，盡量達(dá)到無(wú)人化或少人化生產(chǎn)的目的[1]。輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備通過(guò)“程控行吊”實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)線跨線之間的物料調(diào)運(yùn)。

行吊又稱(chēng)行車(chē)、吊車(chē)、天車(chē)，按驅(qū)動(dòng)方式不同分為集中驅(qū)動(dòng)和分別驅(qū)動(dòng)兩類(lèi)，按形狀不同可分為門(mén)式起重機(jī)和橋式起重機(jī)[2]。本文研究的輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備行吊為集中驅(qū)動(dòng)橋式起重機(jī)，是橫架于車(chē)間上空進(jìn)行物料吊運(yùn)的起重設(shè)備。

由于行吊跨距遠(yuǎn)、質(zhì)量大、位置高，發(fā)生失效時(shí)對(duì)企業(yè)生命和財(cái)產(chǎn)將產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p失。故設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)行吊時(shí)應(yīng)反復(fù)校核，既要保證行吊工作時(shí)的強(qiáng)度，又要防止變形過(guò)大產(chǎn)生剛度破壞，同時(shí)還應(yīng)考慮行吊的振動(dòng)特性，避免產(chǎn)生共振。

隨著信息技術(shù)在各領(lǐng)域的迅速滲透，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、組織模式，對(duì)推動(dòng)現(xiàn)有企業(yè)的技術(shù)改造、帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革、發(fā)展新興技術(shù)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)有十分重要的意義。有限單元法作為數(shù)值計(jì)算方法是在工程分析領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種計(jì)算方法，利用有限單元法不僅可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短工程周期，還可以節(jié)約大量加工成本[3]。本文以輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備橋式起重機(jī)吊架為研究對(duì)象，基于有限單元法對(duì)吊架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，并對(duì)吊架的振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值仿真分析，為以后行吊的設(shè)計(jì)和校核提供參考。

1 橋式起重機(jī)吊架結(jié)構(gòu)

輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備橋式起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由行走機(jī)構(gòu)、吊架、電控系統(tǒng)、電永磁吸鐵、物料等組成。橋式起重機(jī)工作需要搬運(yùn)物料時(shí)，在計(jì)算機(jī)上輸入控制指令傳達(dá)給配電柜，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)的平移和升降運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到物料正上方距離物料較小距離時(shí)，電永磁繼電器通電，產(chǎn)生強(qiáng)力磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)物料的抓取，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)將物料運(yùn)輸?shù)街付ǖ奈恢?，電永磁繼電器斷電，實(shí)現(xiàn)物料的存放。

圖1 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)

2 橋式起重機(jī)吊架剛度及強(qiáng)度分析

橋式起重機(jī)在抓取和運(yùn)輸貨物時(shí)，應(yīng)保證吊架的強(qiáng)度和變形在許用值之內(nèi)[4]。以往設(shè)計(jì)橋式起重機(jī)吊架時(shí)，由于不能完全模擬吊架的邊界條件，往往將模型和載荷簡(jiǎn)化，使設(shè)計(jì)出的吊架具有較大的安全富裕度，造成資源浪費(fèi)。本文采用有限單元法，完全模擬吊架的邊界條件，考核吊架的剛度和強(qiáng)度，驗(yàn)證吊架設(shè)計(jì)的可行性。

由橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖可以看出，當(dāng)起重機(jī)運(yùn)輸物料時(shí)，在各軸承座處會(huì)產(chǎn)生反力，吊架受力不再為單方向的力。為了減少計(jì)算量，先計(jì)算出各支座處的反力，再將其施加到橋式起重機(jī)的吊架上，考核吊架的剛度和強(qiáng)度。

傳動(dòng)桿模型化后為長(zhǎng)6 000 mm，直徑50 mm的長(zhǎng)桿，材料為Q235，本橋式起重機(jī)的額定起吊重量為0.6 T，傳動(dòng)桿承載后的邊界條件如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)桿邊界條件

通過(guò)計(jì)算分析，得到各個(gè)支點(diǎn)處的反力，如表1所示，圖3所示為傳動(dòng)桿的應(yīng)力云圖。

表1 傳動(dòng)桿各支點(diǎn)反力

圖3 傳動(dòng)桿應(yīng)力云圖

將求得的各支點(diǎn)反力施加到橋式起重機(jī)吊架上，計(jì)算吊架的變形和應(yīng)力，考核橋式起重機(jī)吊架的剛度和強(qiáng)度。橋式起重機(jī)吊架的物理特性如表2所示。

表2 吊架物理特性

在對(duì)到橋式起重機(jī)吊架施加邊界條件時(shí)，應(yīng)考慮配電柜重量約150 kg，吊架的邊界條件如圖4所示。

圖4 橋式起重機(jī)吊架邊界條件

橋式起重機(jī)吊架受載后變形及應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示。

圖5 橋式起重機(jī)吊架變形云圖

圖6 橋式起重機(jī)吊架應(yīng)力云圖

為安全起見(jiàn)，取橋式起重機(jī)吊架應(yīng)力安全系數(shù)為3，則吊架許用應(yīng)力為78.33 MPa，根據(jù)材料手冊(cè)查得，吊車(chē)梁的許用撓度為18.4 mm。由圖5和圖6可知，橋式起重機(jī)吊架受載后的最大變形為1.012 mm＜18.4 mm，最大應(yīng)力為11.86 MPa＜78.33 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求，有較大的安全富裕度，可進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

圖7 優(yōu)化后橋式起重機(jī)吊架變形云圖

圖8 優(yōu)化后橋式起重機(jī)吊架應(yīng)力云圖

將橋式起重機(jī)吊架厚度優(yōu)化為4mm，考核吊架的剛度和強(qiáng)度，圖7、圖8所示分別為優(yōu)化后的吊架變形和應(yīng)力云圖。

圖9 橋式起重機(jī)吊架1～4階振型圖

由圖7和圖8可知，橋式起重機(jī)吊架受載后的最大變形為8.499 mm＜18.4 mm，最大應(yīng)力為32.818 MPa＜78.33 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求。由此可看出，通過(guò)傳統(tǒng)手段設(shè)計(jì)出的橋式起重機(jī)吊架存在較大安全富裕度，造成了一定的資源浪費(fèi)，通過(guò)有限單元法優(yōu)化的橋式起重機(jī)吊架滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求，較充分地利用了資源，節(jié)約了成本。

3 橋式起重機(jī)吊架模態(tài)分析

模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，通過(guò)它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數(shù)。進(jìn)行模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)，使工程師認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類(lèi)型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的，有助于在其他動(dòng)力分析中估算求解控制參數(shù)[5]。

模態(tài)分析基本理論：令{u }為廣義坐標(biāo)的矩陣，[K]、[M ]及[C ]為與{u }相對(duì)應(yīng)的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣，{¨}、{}分別為加速度矩陣和速度矩陣。根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，只要在研究對(duì)象所受的外力中加入慣性力，就可以像建立靜力學(xué)平衡方程那樣去建立動(dòng)力學(xué)方程。多自由度系統(tǒng)有阻尼振動(dòng)方程如下[6]：

式（1）中{P(t)}為所受外部載荷列陣，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的固有頻率和振型與所受外力{P(t)}無(wú)關(guān)，而小阻尼對(duì)固有頻率和振型影響并不大。因此常用無(wú)阻尼自由度振動(dòng)方程求解結(jié)構(gòu)的頻率和振型，上式簡(jiǎn)化為下式[6]：

圖10 優(yōu)化后橋式起重機(jī)吊架1～4階振型圖

表3 橋式起重機(jī)吊架優(yōu)化前后的固有頻率

由式（2）可知，固有頻率由模型的質(zhì)量和剛度決定。通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算分析，可得到橋式起重機(jī)吊架各階振型的固有頻率，圖9所示為橋式起重機(jī)吊架1～4階振型圖，表3為優(yōu)化前后吊架前10階的固有頻率。

計(jì)算優(yōu)化后橋式起重機(jī)吊架各階振型的固有頻率，如圖10所示為優(yōu)化后橋式起重機(jī)吊架1～4階振型圖。

通過(guò)模態(tài)數(shù)值仿真計(jì)算分析，得到輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備橋式起重機(jī)吊架的振動(dòng)特性，可直觀地分析吊架的動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，有意識(shí)地避開(kāi)吊架的固有頻率，以免發(fā)生共振。

4 結(jié)論

本文以輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備橋式起重機(jī)吊架為研究對(duì)象，針對(duì)通過(guò)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的橋式起重機(jī)吊架，采用有限單元法對(duì)吊架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度考核，并進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)論主要如下：

（1）通過(guò)傳統(tǒng)手段設(shè)計(jì)出的橋式起重機(jī)吊架滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求，但存在較大安全富裕度，造成了一定的資源浪費(fèi)；

（2）采用有限單元法優(yōu)化后的橋式起重機(jī)吊架滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求，較充分地利用了資源，節(jié)約了成本；

（3）通過(guò)對(duì)橋式起重機(jī)吊架模態(tài)分析，可得到吊架的振動(dòng)特性，直觀地分析吊架的動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，有意識(shí)地避開(kāi)吊架的固有頻率，以免發(fā)生共振。

［1］張銳.自動(dòng)化流水線設(shè)備管理探索［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2007.

［2］付海波.基于RFID的天車(chē)防碰系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

［3］張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］李家寶.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］周長(zhǎng)城，胡仁喜，熊文波.ANSYS11.0基礎(chǔ)與典型范例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［6］肖鋒，陳君若，劉顯茜.基于ANSYS酌高速輪盤(pán)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析［J］.制造業(yè)信息化，2008（2）：136-137.

Study on Mechanical Properties of Bridge Crane Hanger of Roller Pressure Automatic Transmission Equipment

JIN Liang-bin
（No.710 Research and Development Institute，CSIC.，Yichang443003，China）

In this paper，bridge crane hanger of roller pressure automatic transmission equipment is studied.Aiming at the bridge crane hanger designed with traditional method，strength and stiffness analysis of hanger are carried out with finite element method.Then modal analysis is also accomplished.According to the results of strength and stiffness analysis，it is noticed that the hanger designed with traditional methods has larger safety allowance.This will result in a wasteful use of resources.Therefore，optimization design is needed for the hanger.The dynamic characteristics of hanger are analyzed with modal analysis.Then the weak link is found.In order to avoid resonance，it is consciously to keep the exciting frequency away from natural frequency of hanger.

bridge crane；finite element method；stiffness analysis；strength analysis；modal analysis；natural frequency

TH122

A

1009－9492(2014)03－0019－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.006

金梁斌，男，1985年生，浙江金華人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)。已發(fā)表論文5篇。

(編輯：阮 毅)

2013－09－05