張曉飛， 王洪新， 鄔志軍， 劉建樹， 葛干

（皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽六安237012）

0 引 言

現(xiàn)代起重設(shè)備具有大型化、高速化、專用化、智能化、精確化、制造柔性化等特點(diǎn)和發(fā)展趨勢[1]。目前，國外許多知名的起重機(jī)制造企業(yè)都采用了輕量化的設(shè)計(jì)方法，并取得比較客觀的經(jīng)濟(jì)效益。在保證起重設(shè)備使用性能的前提下，減小起重機(jī)小車車架的質(zhì)量，可以簡化起重設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低外形高度，減小起重機(jī)整機(jī)設(shè)備的質(zhì)量，從而達(dá)到降低產(chǎn)品成本和能耗的目的，可以促進(jìn)起重設(shè)備產(chǎn)品的開發(fā)升級，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

1 橋式起重機(jī)小車車架受力分析

橋式起重機(jī)小車作為起重機(jī)與貨物直接接觸的設(shè)備，其質(zhì)量主要由車架決定。小車車架主要由減速器側(cè)端梁、電動機(jī)側(cè)端梁、主動輪側(cè)橫梁、中間橫梁、從動輪側(cè)橫梁及滑輪臂架組成。各部件均由不同規(guī)格的鋼板焊接而成，具有制造安裝容易、迎風(fēng)面積小、承載能力大、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于中小起重量及工作繁忙的場合[2]。本文主要針對某廠的10 t/16 m規(guī)格起重機(jī)小車車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如表1、表2所示。

表2 起重機(jī)主要部件質(zhì)量參數(shù) kg

橋式起重機(jī)小車結(jié)構(gòu)要滿足強(qiáng)度、剛度要求,也沒有必要讓結(jié)構(gòu)的承載能力過于富余。小車的工況不同，所承受的載荷也不同，對其最惡劣的工況進(jìn)行分析，如果滿足強(qiáng)度要求，則其他工況也相應(yīng)滿足要求。起重機(jī)的工作示意圖如圖1所示，其中：x方向?yàn)樾≤囘\(yùn)動方向，z方向?yàn)橹匚锲鹕较?，y方向?yàn)榇筌囘\(yùn)動方向。

圖1 橋式起重機(jī)工作示意圖

圖2 極端情況下小車受力簡圖

小車正常工作（違規(guī)操作除外，如翻車等）分為3種工況，分別為：1）小車滿載時起升、卸載重物情況；2）小車滿載時在橋梁上起動、制動情況；3）小車滿載時大車起動、制動情況。這3種情況下，小車分別會在x方向、y方向、z方向受到最大的外部載荷作用，其中部分載荷的計(jì)算涉及到滑輪組的倍率。相比較小車自身的重力來說，起吊的重物的重力要大得多，而且小車和大車突然啟動的加速度要遠(yuǎn)小于重力加速度，所以起重機(jī)小車工作最不利的情況是3種工況同時發(fā)生（如圖2），即：滿載狀態(tài)下，在重物起升的瞬間，大小車同時啟動，此時小車架受到x、y、z方向的載荷的矢量和，此時，小車車架所承受的沖擊載荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他工況所承受的沖擊載荷大得多。10 t/16 m規(guī)格起重機(jī)載荷計(jì)算如表3所示。

表3 極端情況下車架受力值 N

橋式起重機(jī)工作時會頻繁地進(jìn)行起吊重物，重物的載荷完全由小車車架承擔(dān)，小車橫梁在此載荷作用下會產(chǎn)生彈性下?lián)献冃?，從而造成電動機(jī)及滑輪組運(yùn)行阻力增加，影響起重機(jī)的工作效率及性能。為了避免此情況的出現(xiàn)，須對小車車架撓度進(jìn)行校核。

起重機(jī)的撓度和最大許用應(yīng)力值的計(jì)算[3]：

式中：L為起重機(jī)最短梁的長度，本文即橫梁的長度，L=1704 mm；n為安全系數(shù)，此處取1.5；σ為材料的屈服極限，此處材料為Q235，屈服極限[σ]=235 MPa。計(jì)算得：[f]=0.85 mm；σmax=156.7 MPa。

2 橋式起重機(jī)小車有限元模型的建立

橋式起重機(jī)小車有限元模型的建立分為對模型的簡化、網(wǎng)格劃分及約束和載荷施加等3個方面。

2.1 模型的簡化

橋式起重機(jī)小車的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果完全按照實(shí)物建立模型進(jìn)行分析，不僅計(jì)算量會很大，而且也會影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，影響分析的結(jié)果。完全相同的實(shí)體模型實(shí)際上是不必要的，有時候甚至是不可能的。所以，在建立有限元模型時，在不影響最終分析結(jié)果的前提下，將一些不必要的細(xì)節(jié)進(jìn)行壓縮簡化處理是必要的。本文在建立有限元模型時，把一些孔、螺栓及倒角等不影響整體機(jī)構(gòu)性能的特征刪除，利于單元的規(guī)則，通過CREO軟件分別對小車架的各個組件（端梁、橫梁、滑輪臂架、蓋板等）進(jìn)行三維建模，然后利用軟件的裝配模塊，對各個組件進(jìn)行裝配，如圖3所示。這種板式焊接結(jié)構(gòu)在我國目前橋式起重機(jī)小車的設(shè)計(jì)中具有代表性，許多廠家都是以這種方式進(jìn)行生產(chǎn)的。

圖3 橋式起重機(jī)小車車架三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元模型建立的重要一環(huán)，對分析結(jié)果和精度產(chǎn)生直接影響[4]。在ANSYS Workbench中劃分網(wǎng)格時，考慮到小車車架由鋼板焊接成型，各鋼板連接處應(yīng)力分布不規(guī)則，故選擇6面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格尺寸過大會影響分析結(jié)果的精度，而過小則會造成分析過程計(jì)算量過大[5]。在保證不影響分析結(jié)果的前提下，網(wǎng)格尺寸盡可能選取較大尺寸，結(jié)合小車的結(jié)構(gòu)尺寸，網(wǎng)格尺寸選擇0.02 m。對于有些組件采用sweep方式劃分網(wǎng)格時出現(xiàn)錯誤，采用自由網(wǎng)格對這些組件進(jìn)行二次劃分[6]。

圖4 小車車架模型的網(wǎng)格劃分

劃分完成后，共有222 075個節(jié)點(diǎn)，30 657個單元，如圖4所示。

小車車架材料為Q235鋼，具體參數(shù)如表4所示，在定義材料時可直接選為結(jié)構(gòu)鋼。對小車進(jìn)行力和約束的添加，如圖5所示。

表4 小車架材料屬性

圖5 小車車架的約束和載荷

3 對有限元模型的分析和求解

對小車車架等效應(yīng)力進(jìn)行求解，對小車車架位移進(jìn)行求解，求解的結(jié)果如圖6和圖7所示。通過應(yīng)變分布圖可以得出：在小車極限工況下，滑輪臂架位移最大為0.38 mm。通過應(yīng)力分布圖可以得出：小車在最不利工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在靠近從動輪的橫梁上，最大值為127.5 MPa。

圖6 小車架位移分布圖

分析結(jié)果與式（1）、式（2）對比，可見小車的變形和最大應(yīng)力比極限值要小很多。故小車車架在一定程度上材料的利用有富余，有比較大的優(yōu)化空間。

4 對小車車架的優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)是改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)并尋求最優(yōu)方案的一種方法[7]。本文采用有限元軟件Workbench中的優(yōu)化模塊Goal Driven Optimization (目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化) 對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終目的是在不改變小車結(jié)構(gòu)的前提下減少小車的質(zhì)量，提高材料的利用率。以小車車架的質(zhì)量作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，以最不利工況下的最大位移、最大應(yīng)力作為約束條件，建立數(shù)學(xué)模型：

圖7 小車架應(yīng)力分布圖

約束條件：

h(x)≤156.7 MPa；

g(x)≤0.85 mm；

x1;x2;x3;x4;x5;x6=1;2;3;4;5;6……。

其中：F(x)為起重機(jī)小車質(zhì)量；x1、x2、x3、x4、x5、x6分別為減速器側(cè)端梁的上頂板和下底板厚、主動輪側(cè)橫梁和中間橫梁縱板厚度、卷筒側(cè)端梁上頂板和下底板厚度；h(x)、g(x)為小車最大應(yīng)力及最大變形量。由于鋼板的厚度嚴(yán)格遵照國家標(biāo)準(zhǔn)，是一個離散變量，所以各鋼板的厚度取國家標(biāo)準(zhǔn)厚度。

優(yōu)化前后小車車架鋼板厚度如表5所示。優(yōu)化后的車架應(yīng)變圖、應(yīng)力圖如圖8、圖9所示。

可以看出，在優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成圓整以后，小車車架僅比簡化后的原車架輕了91.17 kg，減少了13.6%，符合本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

表5 原車架和優(yōu)化后的車架參數(shù)對比

5 結(jié) 論

本文通過對10 t/16 m規(guī)格的橋式起重機(jī)小車車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，提出了一套針對起重機(jī)小車車架輕量化的設(shè)計(jì)方法和實(shí)例依據(jù)，從而可以大大提高產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。但是本文只考慮了現(xiàn)有小車結(jié)構(gòu)鋼板厚度的優(yōu)化，實(shí)際生產(chǎn)中涉及到整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題時，還需做更進(jìn)一步的討論和研究。

圖8 圓整后小車車架位移圖

圖9 圓整后小車車架應(yīng)力圖