葉永偉，葉連強(qiáng)，任設(shè)東，錢志勤

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

基于多自由度的橋起吊具設(shè)計(jì)及有限元分析

葉永偉，葉連強(qiáng)，任設(shè)東，錢志勤

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

針對(duì)實(shí)際作業(yè)中由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)吊具的單一性導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)多自由度吊裝而降低工作效率的問(wèn)題，提出了一種新型橋式起重機(jī)吊具設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)吊具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了多自由度吊具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多方位吊裝；利用ANSYS軟件建立有限元模型，對(duì)吊具進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，靜態(tài)分析保證了吊具的應(yīng)力和撓度符合設(shè)計(jì)要求，動(dòng)態(tài)分析保證了作業(yè)過(guò)程中避免發(fā)生共振現(xiàn)象。分析結(jié)果表明，該吊具符合設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)性能要求，為實(shí)際的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

橋式起重機(jī)；吊具；多自由度；動(dòng)靜態(tài)分析

近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，橋式起重機(jī)、岸邊集裝箱起重機(jī)等大型起重機(jī)械的設(shè)計(jì)水平在飛速提高,快速、高效越來(lái)越成為衡量起重機(jī)性能高低的重要指標(biāo)。因此，如何提高起重機(jī)的工作效率已成為設(shè)計(jì)人員普遍關(guān)注的問(wèn)題[1]。

吊具是起重機(jī)的重要承載構(gòu)件，也是最廣泛使用的取物裝置，其性能直接影響到起重機(jī)作業(yè)的整體性能。傳統(tǒng)吊具設(shè)計(jì)只把安全性作為最重要的因素，其他的重要因素考慮不足，因此在實(shí)際作業(yè)中，其單一性大大降低了吊裝的工作效率。在現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)境中，把安全性作為最重要的因素是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有其他很多因素需要考慮，比如吊具的靈活性、多功能性和工作效率。如何在保證安全性的前提下提高整機(jī)的工作效率，適應(yīng)多樣的作業(yè)環(huán)境，這就需要一種新型的吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2-3]。本文設(shè)計(jì)了一種多自由度旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的新型吊具，并通過(guò)對(duì)吊具進(jìn)行靜力學(xué)特性分析，獲得應(yīng)力撓度云圖，研究其變形和應(yīng)力分布；然后再對(duì)吊具進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，確定現(xiàn)有結(jié)構(gòu)固有頻率和發(fā)生共振的危險(xiǎn)頻率，為實(shí)際的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 吊具設(shè)計(jì)

1.1吊具的比較

a.傳統(tǒng)電磁吊具。

傳統(tǒng)的電磁吊具，在搬運(yùn)重物時(shí)只能實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)同一方向平移(如前后方向或左右方向)，吊具在平面內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)某一角度的旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1—電磁吊梁;2—電磁鐵;3—筋板;4—吊鉤懸掛結(jié)構(gòu)

在實(shí)際車間或倉(cāng)庫(kù)作業(yè)中，往往貨物的體積、質(zhì)量相對(duì)都比較大，而且不一定按規(guī)律的順序和方向整齊擺放，因此這就要求吊具種類的多樣性。當(dāng)起重機(jī)吊運(yùn)貨物時(shí)首先需要考慮安全性，把握好貨物重心對(duì)單一功能吊具尤為重要，當(dāng)重物擺放有一定的要求時(shí)(如旋轉(zhuǎn)90°或某一角度)，單一的傳統(tǒng)吊具作業(yè)則需要更多的作業(yè)人員，同時(shí)效率也不高。

b.新型電磁吊具。

新型電磁吊具上端是平衡梁，它與起重機(jī)吊鉤固定連接，下端電磁吊梁通過(guò)軸連接，可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，相對(duì)于平衡梁形成任意角度。在車間或倉(cāng)庫(kù)中，任意處重物都能方便起吊運(yùn)送。新型電磁吊具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

1.2吊具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1吊具整體結(jié)構(gòu)

在車間或倉(cāng)庫(kù)中，橋式起重機(jī)吊具未作業(yè)狀態(tài)下的整體示意圖如圖3所示，在小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)上有兩個(gè)吊鉤，直接與吊具相連，形成固定連接。

1—電磁吊梁;2—電磁鐵;3—定位裝置;4—角度器;5—平衡梁;6—傳動(dòng)軸;7—傳動(dòng)齒輪;8—吊鉤懸掛結(jié)構(gòu)

1—大車運(yùn)行機(jī)構(gòu);2—司機(jī)室;3—橋架;4—吊具;5—小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

新型電磁吊具梁整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—吊梁;2—電磁鐵;3—定位裝置;4—角度器;5—平衡梁;6—轉(zhuǎn)動(dòng)軸;7—大齒輪;8—吊鉤懸掛結(jié)構(gòu);9—焊鉤;10—電機(jī);11—減速器;12—小齒輪

電磁吊具主要是由平衡梁、多自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、吊梁和電磁鐵4部分組成，其他還包括定位裝置、角度器和電磁鐵掛鉤等。其中，平衡梁用于直接與起重機(jī)吊鉤相連；多自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于轉(zhuǎn)動(dòng)吊梁，在平面內(nèi)形成一定角度；定位裝置用于吊梁歸位；角度器用于觀察角度；電磁鐵用于吊重。

左視圖(圖4(b))為電磁吊梁的剖視圖，懸掛電磁鐵的固定結(jié)構(gòu)焊接在吊梁兩側(cè)，共5組，焊接處有筋板，用于加強(qiáng)吊梁的抗彎強(qiáng)度。

俯視圖(圖4(c))為平衡梁固定、吊梁旋轉(zhuǎn)90°后的視圖，吊梁旋轉(zhuǎn)通過(guò)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)連接減速器和聯(lián)軸器，利用鍵與小齒輪連接，小齒輪帶動(dòng)大齒輪，大齒輪與轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，而電機(jī)和減速器都固定在平衡梁上。

1.2.2吊具多自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

多自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、軸和齒輪組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的多自由度主要是依靠大小齒輪的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，因此在吊具作業(yè)中旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，其中齒輪之間的嚙合就是關(guān)鍵因素之一。吊具吊重過(guò)程中很有可能出現(xiàn)傾斜，由于力的作用，引起傳動(dòng)軸發(fā)生一定角度(通常角度很小)的傾斜彎曲，從而影響齒輪之間的嚙合，使設(shè)備壽命大大縮短，甚至造成齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接報(bào)廢。為保證其穩(wěn)定性，做出以下設(shè)計(jì)改進(jìn)：(1)加強(qiáng)軸的強(qiáng)度和剛度；(2)利用零件1圓柱滾子軸承保證軸的垂直度，利用零件2調(diào)心滾子軸承保證軸在出現(xiàn)小偏移時(shí)能及時(shí)矯正；(3)零件5減速器底座保證兩齒輪傳動(dòng)軸的平行度。

1—圓柱滾子軸承;2—調(diào)心滾子軸承;3—軸;4—鍵;5—減速器底座;6—電機(jī);7—減速器;8—聯(lián)軸器;9—大齒輪;10—小齒輪;11—軸端擋圈;12—螺栓;13—止動(dòng)墊圈

吊具的旋轉(zhuǎn)是在水平方向回轉(zhuǎn)，角度范圍為0°～360°，通常使用范圍在0°～90°，起始位置在定位裝置處，如圖4所示。司機(jī)可通過(guò)操作手柄對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行獨(dú)立操作。司機(jī)室內(nèi)設(shè)有按鈕開關(guān)，可將吊具位置自動(dòng)恢復(fù)到初始零位置。PLC跟蹤技術(shù)的應(yīng)用使本機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)記憶吊具位置的功能，司機(jī)在作業(yè)時(shí)可以隨意調(diào)用先前作業(yè)所處的位置。作業(yè)旋轉(zhuǎn)的角度不僅能在司機(jī)室內(nèi)顯示，而且也能在吊梁上的角度器上顯示，一目了然。

吊具作業(yè)的順序有兩種。順序一:先起吊重物并把重物移動(dòng)到指定位置，再把重物旋轉(zhuǎn)到要求角度放下重物。順序二:吊具先旋轉(zhuǎn)至一定角度，接著吊起重物，移動(dòng)到指定位置，再一次旋轉(zhuǎn)吊具，最后放下重物。吊具的作業(yè)順序可根據(jù)作業(yè)環(huán)境要求具體操作。當(dāng)?shù)蹙咛幱诜亲鳂I(yè)狀態(tài)時(shí)，在現(xiàn)有的工作車間，可以通過(guò)吊具旋轉(zhuǎn)合理地?cái)[放。

2 吊具有限元分析

本文采用大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對(duì)國(guó)內(nèi)某橋式起重機(jī)所使用吊具(材料Q235-B鋼板，工作級(jí)別A4)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析[4-6]。有限元分析流程如圖6所示。

2.1吊梁主要性能參數(shù)

a.材料物理參數(shù)。

材料為Q235-B，在常溫下的屈服極限為235MPa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比取0.3，密度為7 800kg/m3。

圖6 吊具有限元分析流程圖

b.載荷工況。

根據(jù)該起重機(jī)的運(yùn)行狀況，主要分析吊具的變形及吊梁與旋轉(zhuǎn)軸連接處的應(yīng)力。起重機(jī)吊具在作業(yè)時(shí)，起吊重物的重心位置非常關(guān)鍵，當(dāng)?shù)踔刂匦脑诘趿褐行奶帟r(shí)，吊重不會(huì)發(fā)生傾斜；當(dāng)?shù)踔刂匦牟辉诘趿褐行奶帟r(shí)，吊重將發(fā)生一定角度的傾斜，致使齒輪傳動(dòng)受到影響，吊梁的變形也發(fā)生變化。

c.邊界條件。

將整個(gè)吊具簡(jiǎn)化后作為研究對(duì)象，包括平衡梁、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和吊梁，在平衡梁上表面左右兩側(cè)施加固定約束,UX=0,UY=0,UZ=0,ROTX=0,ROTY=0,ROTZ=0，在加強(qiáng)筋處施加集中力載荷和吊梁自重載荷G。

2.2吊具建模與有限元網(wǎng)格劃分

吊具主要是由鋼板焊接而成，由于鋼板的厚度要比其長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)小得多，因此在有限元建模過(guò)程中選用殼單元shell63[7-8]。吊具共劃分了12 659個(gè)單元，4 189個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 吊具網(wǎng)格圖

3 吊具動(dòng)靜態(tài)分析結(jié)果

3.1吊具靜態(tài)分析

靜力分析是工程設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用的一種分析手段，它主要是計(jì)算固定的載荷在結(jié)構(gòu)上所引起的應(yīng)力和應(yīng)變等。對(duì)起重機(jī)吊具結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要是計(jì)算分析其結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和靜剛度，使其最大靜應(yīng)力和靜位移符合工作要求的強(qiáng)度和剛度。

對(duì)于線性靜態(tài)分析問(wèn)題，結(jié)構(gòu)的有限元平衡方程可以表示為：

[K]{X}={F}

(1)

式中：[K]為系統(tǒng)的整體剛度矩陣；{X}為各節(jié)點(diǎn)位移列陣；{F}為載荷列陣。

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，吊具在作業(yè)時(shí)其垂直靜剛度要小于等于許用值，起重機(jī)許用靜剛度見(jiàn)表1，通過(guò)計(jì)算可得跨中許用靜剛度[yL]z=15.5mm；跨端許用靜剛度[yL]d=35.4mm。在吊具作業(yè)過(guò)程中，主要的承載來(lái)自Y方向上的力，位移大，而來(lái)自其他方向上的力相對(duì)較小，位移也較小。從圖8吊具位移云圖中可以得到，位移總的靜剛度為3.489mm，小于許用靜剛度，主要位于吊具的兩端。最大靜剛度小于許用值，說(shuō)明此工況下，吊具滿足靜態(tài)剛度要求。

表1 起重機(jī)許用靜剛度

圖8 吊具位移云圖

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)力計(jì)算公式為：

(2)

式中：σ1，σ2，σ3為3個(gè)方向的主應(yīng)力;[σ]為材料的許用應(yīng)力。

吊梁采用Q235-B鋼板焊接而成，額定起重量為10t，材料的極限強(qiáng)度值σmax=235MPa，為保證安全性，查表并考慮取安全系數(shù)n=1.5，則許用應(yīng)力[σ]=σmax/n=157MPa。從圖9吊具應(yīng)力云圖中可以得到，吊具的最大應(yīng)力為148.67 MPa，小于許用應(yīng)力[σ]。從圖中還可以看出，吊具只在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力集中處應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，而在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接處外其他處的最大應(yīng)力都遠(yuǎn)小于許用值，表明吊具結(jié)構(gòu)有較好的穩(wěn)定性。因此，吊具強(qiáng)度滿足應(yīng)力設(shè)計(jì)要求。

圖9 吊具應(yīng)力云圖

3.2吊具動(dòng)態(tài)分析

3.2.1吊具模態(tài)分析

模態(tài)分析，也叫特征值的提取，用以求解多自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)的固有頻率和相應(yīng)振型。 橋式起重機(jī)吊具都有固有振動(dòng)頻率，模態(tài)分析的目的就是尋求結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型，從而了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，設(shè)計(jì)時(shí)避開工作時(shí)外激振力的頻率，以免結(jié)構(gòu)共振發(fā)生重大機(jī)械事故。典型無(wú)阻尼模態(tài)分析求解的基本方程為：

(3)

式中：{Φi}為第i階模態(tài)的振型矢量(特征矢量)；Wi為第i階模態(tài)的固有頻率(特征值)；[M]為質(zhì)量矩陣。

模態(tài)分析結(jié)束后，提取吊具結(jié)構(gòu)前10階的固有頻率，見(jiàn)表2。

前10階固有頻率對(duì)應(yīng)的固有振型如圖10所示：

表2 橋式起重機(jī)吊具前10階固有頻率

圖10 第1至10階固有振型

從表2可以看到，吊具前3階固有頻率較小，4到10階固有頻率逐漸增大。起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[9]中規(guī)定，橋式起重機(jī)主梁沿小車軌道方向的振動(dòng)頻率需要在1Hz以上，而小車在跨中的垂直方向滿載的頻率需要控制在2Hz～4Hz之間。對(duì)照表2，橋式起重機(jī)在作業(yè)時(shí)可能在第2階或第3階出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

從圖10中可以看出，多數(shù)情況都反映了吊具縱向水平振動(dòng)，此振動(dòng)可能是由于工作時(shí)小車啟、制動(dòng)等方面的原因而引起的激勵(lì)起振。

3.2.2吊具諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析主要用于分析持續(xù)的周期載荷在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的持續(xù)周期響應(yīng)。為了使橋式起重機(jī)吊具在工作時(shí)避免因共振響應(yīng)而引發(fā)工程事故，同時(shí)也為了確定各階頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的影響情況，需對(duì)吊具進(jìn)行諧響應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析的通用方程如下：

(4)

式中：[C]為阻尼矩陣； {u}為時(shí)間的函數(shù)。

對(duì)吊具結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析時(shí)，設(shè)定 0～50Hz的響應(yīng)范圍。 圖11中 UY-1 為吊具端部位置節(jié)點(diǎn)垂直位移響應(yīng)曲線，UY-2為吊具跨中位置節(jié)點(diǎn)垂直位移的響應(yīng)情況。從圖中可知，在不同激勵(lì)作用下，位移響應(yīng)出現(xiàn)2個(gè)波峰，最大的峰值出現(xiàn)在25.1Hz附近，其次峰值出現(xiàn)在7.3Hz附近。橋式起重機(jī)小車在跨中的垂直方向滿載的頻率控制在2Hz～4Hz之間，因此，吊具在起重機(jī)作業(yè)時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象的概率將會(huì)變得非常小。

圖11 吊具結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種新型橋起吊具，該吊具增加了多自由度設(shè)計(jì)，其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)克服了傳統(tǒng)吊具只能平動(dòng)的缺點(diǎn)，使吊具擁有了靈動(dòng)性，更能適應(yīng)環(huán)境，提高了作業(yè)效率。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)吊具結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析表明，應(yīng)力和撓度滿足設(shè)計(jì)要求，而在轉(zhuǎn)動(dòng)連接處存在應(yīng)力集中，但最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)吊具結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析結(jié)果表明，在橋式起重機(jī)作業(yè)過(guò)程中，吊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。新的設(shè)計(jì)為吊具增加了新的形式，對(duì)企業(yè)而言，具有重要的工程實(shí)際意義。

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Thedesignofbridgecranespreaderbasedonthemultidegreeoffreedomfiniteelementanalysis

YE Yongwei, YE Lianqiang, REN Shedong, QIAN Zhiqin

(Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou, 310014, China)

In view of the bridge crane in the practical operation, the traditional crane spreader can′t achieve much freedom lifting and reduce the efficiency. This paper proposes a new type of bridge crane spreader design scheme. Comparing traditional spreader structure, it designs a multi degree of freedom the rotation mechanism, the spreader implements multiple hoisting. It establishes the finite element model based on ANSYS software, analyzes dynamic and static characteristics of the spreader. The static analysis ensures the spreader of stress and deflection according to the design requirements, and dynamic analysis ensures the operation in the process of avoiding resonance phenomenon. The results show that the spreader conforms to the requirements of the design and the dynamic performance, provide the practical design proof.

bridge Crane; spreader; multi-DOF; dynamic and static analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.007

2014-12-03

葉永偉(1964—)，男，浙江義烏人，浙江工業(yè)大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究、數(shù)字化設(shè)計(jì)與研究。

TH215

A

2095-509X(2014)12-0028-06