定柱式旋臂起重机结构整体优化研究

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定柱式悬臂吊在老平台改造项目的研究及应用

设备管理与维修2018翼11（上）定柱式悬臂吊在老平台改造项目的研究及应用赵刚，高绍涛，武斌斌，周健，姜宇飞（海洋石油工程股份有限公司，天津300461）摘要：埕北油田设备设施整体升级改造项目中，在老平台南北两侧各安装、固定1台5t 小型定柱式悬臂吊，解决了悬臂吊安装位置选择、本体选型设计、底座强度核算、平台结构局部强度核算等问题，提高了现场的作业效率，降本增效成果显著。

关键词：悬臂吊；选型设计；底座强度；局部强度中图分类号：TE42文献标识码：B DOI ：10.16621/ki.issn1001-0599.2018.11.131背景描述埕北油田设备设施整体升级改造项目涉及到结构、机械、配管、电气、仪表、通信等各专业的改造施工，数量巨大，任务繁重，时间紧迫（只有4个月的停产时间）。

尤其是吊装作业，老平台自有吊机1台，工作半径有限，吊装盲区较大，加之服役时间较长，性能老化，不能保证高强度、长时间连续作业，而利用浮吊资源成本较高。

为缓解这一系列的工作压力，改善作业环境，在老平台南北两侧各安装、固定1台5t 小型定柱式悬臂吊，供现场吊装施工。

悬臂吊能否成功应用需要考虑多方面因素，包括安装位置、本体选型设计、底座连接设计、平台结构局部强度校核、接触面强度校核、安装及使用安全：悬臂吊安装位置确定，需考虑便于实施针对性的吊装作业，确保安装位置处有主梁或者主立柱等主结构；悬臂吊本体设计方面，应根据施工需求及实际操作空间确定吊重、水平行程、回转角度等参数；从安全性出发，还应考虑增加超重报警、远程遥控等其它附属技术性能要求；悬臂吊底座结构连接设计需注意臂吊立柱与底座的连接形式（考虑便于安装及拆卸）；悬臂吊底座与平台主结构的连接形式；悬臂吊使用安全性评估方面，首先安装位置处平台结构建模加载时须考虑附近机械设备、管线、电气、仪表等荷载；悬臂吊静态及使用2种工况下分别校核分析；悬臂吊底座结构强度分析；另外，还有悬臂吊的CCS （China Classification Society ，中国船级社）取证（含本体结构、底座结构及附属构件）。

基于ANSYS的定柱式旋臂起重机的有限元分析

文章编号:16732095X (2005)022*******基于ANSYS 的定柱式旋臂起重机的有限元分析陈　玲,宋平娜,彭　佳,韩继增(天津理工大学机械工程学院,天津300191)摘　要:根据定柱式旋臂起重机整体结构特点,建立了面向整机的有限元模型,基于ANSY S 软件对该产品进行了静力分析和模态分析.通过分析解决了设计的应力应变求解,优化了设计尺寸,使产品总质量得到了下降.同时,对改进设计,提高起重机疲劳寿命具有一定的指导意义.关键词:有限元;起重机;刚度中图分类号:TH213.5 文献标识码:AFinite element analysis for sle wing jib crane based on ANSYSCHE N Ling ,S ONG Ping 2na ,PE NGJia ,HAN Ji 2zeng(School of Mechanical Engineering ,T ianjin University of T echnology ,T ianjin 300191,China )Abstract :In this paper ,according to the characteristics of com pleted structure for slewing jib crane ,finite element m odel of the structure is com pleted and its static and m odel based on ANSY S s oftware is analyzed.The relevant strain and stress distribution graph was obtained and optimized the design procedure to reduce its mass.There by the analysis had s ome guide for im proving the jib crane ′s design and fatigue life .K ey w ords :finite element ;slewing jib crane ;stiffness 定柱式旋臂起重机是某起重设备厂的主力产品.在产品设计的原方案中,设计人员采用力学的方法与经验公式,人工计算设计该产品.但因为起重机结构的复杂与尺寸的巨大,人工计算不可避免地采用了过多的简化,计算结果不能全面反映整体应力状态,从而导致了结构设计中的冗余.随着市场竞争的激烈,对产品提出了更高要求.采用现代设计方法对传统设计和计算方法进行技术提升,已迫在眉睫.本文基于ANSY S 软件采用C AE 技术对该设计展开全面的有限元分析,得到了产品关键部位的应力应变场和模型的自然振动频率,通过计算后再设计该产品,可使结构更加合理,强度刚度更加符合设计要求,质量更轻,工艺性更好.1　对原方案进行材料力学计算为了得出各种设计因素的相互关系及对强度和刚度的影响,也为了与后面用有限元软件ANSY S 的计算结果进行对比,对原方案进行了材料力学计算.又因结构的主要缺陷在刚度上,因此计算主要针对刚度进行.图1为定柱式旋臂起重机整体结构示意图,图1给出了各部分名称及相关尺寸.图1　模型示意图Fig.1　Simple model图2示出了横梁右端在2t 载荷的作用下的整体变形,其中由立柱引起的变形为y ;由横梁引起的变收稿日期:2004209213.第一作者:陈　玲(1964— ),女,副教授,硕士.第21卷第2期2005年4月天　津　理　工　大　学　学　报JOURNA L OF TIAN JIN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y V ol.21N o.2Apr.2005形为f c ″.图2　变形叠加图Fig.2　Deformed superimposition1.1　对横梁2支腿计算图3为横梁2支腿的受力简图,水平向右为X 轴正向;垂直向上为Y 轴正向.通过计算由横梁引起的变形为12.1mm ,参见图2的f c ″.图3　横梁-支腿受力简图Fig.3　Loadof horizontal beam supporting model1.2　对立柱计算图4　立柱计算简图Fig.4　C alculated of vertical frame对立柱简化为图4的模型.其中m 为R AX ′和R DX ′所组成的力偶矩.而且m =pl.那么求A 点的转角与挠度有:θE =mREI(1)y =l ・sin θE =l ・sin mR EI ≈l ・PlREI(2)经代入数据后,由立柱引起的变形y =19.5mm ,见图2.1.3　整体变形为得出整体结构的变形,本文采用图乘法对该结构进行了计算.图5是弯矩图,此时只有p 力单独作用.图6将滚轮与滚道间的作用力用R DX 表示,并将R DX 换成单位1,求出R DX =2.77p ,然后再将图5中的p 换成单位1可得C 点总的位移为32.6mm.图5　只有p 作用下的弯矩图Fig.5　The moment producedonly by the load p图6　只有R DX 作用下的弯矩图Fig.6　The moment producedonly by the load R DX2　有限元模型的建立有限元计算对计算机资源要求颇高.一个好的有限元模型应当在合理的计算精度与所占的计算资源间取得一个好的平衡.因此对模型作了如下简化:1)利用对称性建立系统的1/2模型如图1所示.2)对工字钢的截面形状作简化处理,只取标准中的b 、h 、d 、t 值.这样简化对截面惯性矩的影响甚微;横梁工字钢采用I45a ,支腿为I56a .3)出于网格划分的考虑对实体模型实行多块分割再作粘接.经过以上简化后,作者采用S olid45单・56・2005年4月陈　玲,等:基于ANSY S 的定柱式旋臂起重机的有限元分析元划分有限元网格,因为在建模时对网格划分做了充分的考虑,因此在划分时尽可能的采用映射与扫略,这极大的改善了网格划分的密度.图7所示为有限元的网格图.图7　网格划分及加载Fig.7　Mesh and load3　有限元计算本文采用的材料特性:弹性模量为E =2.07e 11Pa ,柏松比μ=0.3.1)约束:为限制刚体的移动,在法兰盘上的任意两点进行约束,在对称面上给对称边界条件;为得到螺栓的反力,在螺栓的位置点上给Y 方向的零位移约束.2)加载:在距横梁右端5.00m 处,即悬臂梁的极限点的Y 方向施加2t 的载荷.3)耦合:为处理滚轮与滚道的接触,在其接触部位的X 方向将自由度耦合.下面是经有限元计算后对结果的分析.3.1　整机应变分析首先从应变上来说:综合变形(US UM )的最大值出现在横梁的最右端,如图8所示,其具体数值为D max =36.019mm ,进一步的分析发现变形主要为竖直方向(Y 向),其中Y max =33.8mm.从以上结果来看,横梁在Y 方向的变形过大.在实际使用中将会使横梁上的小车出现负重爬坡现象,因此在设计中应尽量减小由于各种原因造成的横梁的变形.3.2　整机应力分析从等效应力(SE QV )的云图上(图9)可以看出,SE QV max 约为147MPa ,主要出现在轴承室附近,纵观整机结构在强度上是安全的.总之,强度富裕,刚度不足.经过以上有限元计算和力学计算后,分析了两者的计算结果:其中,立柱产生的变形相对横梁而言较大,依此为依据对工字钢和立柱圆筒的截面尺寸以及滚轮-滚道的高度进行了优化:将横梁和支腿的工字钢的尺寸减小;加大立柱的壁厚;把法兰盘上的筋板和螺栓由16个减少到12个.经改进后再设计该产品,其总质量减小了132kg ,约占总质量的12.17!+.限于篇幅,在此只给出重新计算后的悬臂变形相应的数据:经处理后在Y 方向的最大变形是17mm.图8　综合变形Fig.8　Total deformation图9　等效应力(SEQV )Fig.9　V on mises stress4　对模型的模态分析为了解该起重机的动态特性、改进设计、提高疲劳寿命,又对其进行了模态分析.模态分析是谐响应分析和瞬态动力学分析的基础,本次计算分析了起重机的5阶固有频率.自然振动前5阶的自振频率如表1.表1　5阶自振频率T ab.1　Five ph ase self 2vibration frequencies 阶次12345频率/H z5.58322.33682.636128.140142.876图10是整体结构的第二阶和第五阶频率的两个・66・天　津　理　工　大　学　学　报第21卷　第2期振型图,它将影响起重机的局部变形.因此,在设计上应尽可能的避开其固有频率.在使用有限元技术分析起重机的动态特性时,由于产品结构的对称性和复杂性,随着频率的提高,模态也变得密集,结果失去了实际意义.由于低阶模态对响应的影响较大,对于一般的分析也就足够了.图10　振形图Fig.10　Mode sh ape5　结　论本文基于有限元法的数值模拟技术,采用ANSY S 软件,对定柱式悬臂起重机的静强度和模态进行了分析,并与材料力学的计算结果进行了对比,得到了较真实可信的应力应变结果,揭示了各设计因素之间的内在关系.依据分析结果,优化了原设计尺寸,对提高产品的强度、刚度及疲劳寿命具有一定的指导意义.参　考　文　献:[1]　谭建国.使用ANSY S6.0进行有限元分析[M].北京:北京大学出版社,2002.[2]　陈精一,蔡国忠.电脑辅助工程分析ANSY S 使用指南[M].北京:铁道出版社,2001.[3]　刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1992.[4]　哈通D V.应用机械振动学[M].北京:机械工业出版社,1958.重要启事经国家新闻出版总署正式批准,原《天津理工学院学报》更名为《天津理工大学学报》(新出版刊[2004]1247号文件).经天津市新闻出版局审批同意,《天津理工大学学报》自2005年起变更出版周期,由原来季刊变更为双月刊.《天津理工大学学报》编辑部　2005年4月・76・2005年4月陈　玲,等:基于ANSY S 的定柱式旋臂起重机的有限元分析。

井场用XBD5T定柱式悬臂起重机的研制

起重机械是井场生产中不可缺少的组成部分，借
助起重机械可实现许多重要的钻机装拆工艺及辅助作
业。一般情况下，在井口前部、钻井液配重处及钻台边远处起重机频繁起吊较轻重物的地方，若以多口井
计算，则自走式起重机的成本相对较高，而用定柱式
悬臂起重机却很方便。工作的周期性以及机构的频繁启动、停车和逆转是起重机械的特点，所以井场用起重机械主要是根据作业繁忙程度、使用条件、机器的类型和用途来确定，从而合理地选择工作类型以达到合理而经济地使用起重机械。ＸＤＴ定柱式悬臂起重Ｂ５机就是针对出口俄罗斯奥伦堡Ｚ７ＤＪ０Ｂ低温钻机配套要求开发的一种井场起吊设备。
作业，重物的起升靠电动葫芦远程无线控制。定柱式悬臂起重机的工业试验及其在俄罗斯的现场
应用表明，该产品在井场应用效率高、方便、快捷、安全，对小吨位的重物搬运是自走式起重机的理想替代品。最后指出该产品对开发俄罗斯及中东国家石油钻机市场具有很大的推动作用。
（．南阳二机石油装备（团）有限公司２１集．华东石油管理局六普机械厂）
摘要井场用ＸＤＴ定柱式悬臂起重机是针对出口俄罗斯奥伦堡Ｚ７ＤＢ５Ｊ０Ｂ低温钻机配套要求
开发的一种井场起吊设备。在起吊过程中，通过电动机旋转带动固定在旋转筒上的齿圈实现旋转
焊接成一体。

定柱式踏轮旋臂起重机[实用新型专利]

专利名称：定柱式踏轮旋臂起重机专利类型：实用新型专利
发明人：朱长安
申请号：CN94217858.0
申请日：19940802
公开号：CN2204790Y
公开日：
19950809
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种定柱式踏轮旋臂起重机，它包括竖置的定柱，定柱上部带有滚道，滚道处设有踏轮旋臂机构。

在定柱上安装有由横臂和立臂构成的旋臂，其横臂上设置有起重葫芦；立臂的下部接有一铰轴，与铰轴配合在踏轮箱上设有铰轴孔，在铰轴孔的两端设有两相对的并带有凸出圆柱头的紧定螺钉。

装配时其螺钉上的凸出圆柱头伸入铰轴两端的盲孔中。

本起重机由于采用箱形的等强度梁结构及将旋臂与旋臂机构铰接等措施，使其用料少，刚度高；踏轮与液道接触好，运转灵活。

申请人：朱长安
地址：066000 河北省秦皇岛市南后街1号
国籍：CN
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BZD1t定柱式悬臂起重机总体设计开题报告

KC017-12012届毕业设计开题报告题目BZD1t×4.8m定柱式悬臂起重机总体与金属结构设计专业机械设计制造及其自动化姓名杨迅班级 08机二指导教师汪建中起止日期 2012.3～2012.62012 年3 月1 日毕业设计开题报告一、课题来源及现状（1）来源：常州兴盛机电有限公司。

（2）现状1)设计、制作的计算机化、自动化近年来，随着电子计算机的广泛应用，许多起重机制造商从应用计算机辅助设计系统（CAD），提高到应用计算机进行起重机的模块化设计。

根据市场调查预测的统计数字和积5累的资料、图表、图线规律，在严密的科学理论指导下，拟定起重机结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。

起重机采用模块单元化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业的技术、生产和管理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度都将大大加快。

对起重机的改进，只需针对几个需要修改的模块；设计新的起重机只需选用不同的模块重新进行组合；提高了通用化程度，可使单件小批量的产品改换成相对批量的模块生产。

亦能以较少的模块形式，组合成不同功能和不同规格的起重机，满足市场的需求，增加竞争能力。

2)起重机控制元件的革新与应用起重机的定位精度是对起重机的重要要求，多数采用转角码盘、齿轮链、激光头与钢板孔带来保证，定位精度通常为±3mm，高于1mm的精度需外加定位系统[2]。

在起重机起升速度、制动器方面的改进，则使用低速运行的起重机吊钩精确定位，起重机的刹车系统也应用微处理进行控制和监视工作。

遥控系统用于桥式起重机及其它移动式起重运输机械，这种系统包括操作者携带的控制器和安装在起重机上的接收器，控制器具有电磁辐射发生器，接收器与作用在起重机传动装置操纵机械上的转换部分相连。

遥控器的应用，不仅节省人力，提高工作效率，而且使操作者的作业条件得到改善。

起重机的距离检测防撞装置，采用无线电信号型防撞装置，防撞装置由三相系统组成，用来监控起重机前端行驶距离。

毕业设计(论文)-bzd5型柱式悬臂起重机设计[管理资料]

本科毕业设计 (论文)BZD5型柱式悬臂起重机设计Design of BZD5 Column Rotary BeamCrane学院：机械工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化机械104 学生姓名：学号：指导教师：2014年6月毕业设计（论文）中文摘要毕业设计（论文）外文摘要目录1 绪论 (1)2 悬臂起重机的设计计划与方案论证 (3)悬臂起重机工作原理 (3)各种机构方案论证 (3)3 起升机构设计 (9)钢丝绳的选取 (9)滑轮的计算及选取 (9)卷筒的计算及选择 (10)钢丝绳尾端在卷筒上的固定方式 (12)关于电动机的选择 (13)选择电动葫芦型号 (13)变幅机构的设计 (14)4 回转驱动装置的设计计算 (15)计算回转力矩 (15)选择电动机 (16)齿轮的设计 (16)键的选择与校核 (21)5 起重机金属结构强度计算 (23)立柱计算 (23)地脚连接螺钉的选择与校核 (25)悬臂梁的设计与相关计算 (27)悬臂挠度 (28)结论 (32)致谢 (33)参考文献 (34)1绪论立柱式悬臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，无论是室内室外更或是各种装卸平台，立柱式悬臂起重机随处可见，方便快捷，省时省力。

本次设计为BZD5型立柱式悬臂起重机，起重机由立柱，悬臂梁回转驱动装置，回转支承装置及电动葫芦组成。

电动葫芦在旋臂梁的工字钢上作水平与升降直线运行，以此起吊重物。

随着我国机械水平方面的技能与水平的提高，特别是国家中小企业的发展，对于起重机的需求，使用，要求上都有提高，且对起重机的安全性能、效率及耐久性的要求也相对提高。

综合这些需求，合理地设计这样一台起重机有着十分积极的现实意义。

课题的基本内容和要求：BZD5型柱式悬臂起重机是与电葫芦配套使用的一种轻型起重机，结构简单。

主要参数：起重量：5吨；提升高度：4米；最大回转半径R：4米；回转角度：360°；起升速度：常速，8米/分；慢速，；外形高度：；外形宽度：；运行速度：20米/分；自重：4500公斤。

船舶吊机立柱架设计与结构优化

摘要船舶吊机是海面作业的重要机械设备之一，主要对装卸的物品进行搬运。

船舶吊机主要由甲板基座、立柱架、起吊臂和控制室等部分组成。

立柱架是船舶吊机的基本结构，连接甲板基座和起吊臂，承载了吊机作业的全部负载力矩，根据载荷分布情况，立柱架需要有较好的强度、刚度和稳定性。

因此立柱架结构设计的合理性和安全性是保证吊机正常工作的重要条件之一。

本文进行了船舶吊机立柱架设计与结构优化的全部过程，通过分析吊机的起吊形式确定工作情况及大致尺寸参数；运用力学和几何学知识建立动力学方程；通过MATLAB 进行数值分析，得出各位置下力的变化曲线；进行结构设计，运用SolidWorks软件建立三维模型；将三维模型导入ANSYS Workbench中进行有限元分析和结构优化。

本次设计在参考了大量有限元分析案例文献的基础上，综合运用了结构设计、力学计算、MATLAB数值分析、三维建模、ANSYS有限元分析等各方面的知识，是一个完整而有意义的设计过程，既使以前所学的知识得到加强和巩固，又增长了许多新的知识。

关键词：船舶吊机；有限元分析；结构优化设计；ANSYS Workbench；MATLABAbstractShip crane is one of the most important mechanical equipment in sea operations,mainly for loading and unloading goods handling.Ship crane mainly consists of a deck base,frame column,lifting arm,a control room and other parts.Frame column is basic structure of ship crane,which is connected to the deck base and the lifting arm,carrying all the load torque of the hoisting machine,and according to the distribution of the load,frame column need to have better strength,rigidity and stability.Therefore,the rationality and safety of the column frame structure design is one of the important conditions to ensure the crane normal work.In this paper,the whole process of the design and structure optimization of the ship crane is carried out.Through the analysis of the crane lifting form to determine the conditions and approximate size parameters;Dynamic equations are established by using the knowledge of mechanics and geometry;Numerical analysis is carried out by MATLAB,and to get the output of the change curve;Structural design,using SolidWorks software to build three-dimensional model;and then three dimensional model is introduced into workbench ANSYS to be carried out finite element analysis and structural optimization.Based on in reference to a large number of finite element analysis of the literature,this design comprehensively used of structural design,mechanical calculation,MATLAB numerical analysis,three-dimensional modeling,ANSYS finite element analysis and other aspects of knowledge,which is a complete and meaningful design process,even if previously learned knowledge has been strengthened and consolidated,and a lot of new knowledge is increased.Key words :Ship Crane ;Finite Element Analysis ;Structural Optimization Design ;ANSYS Workbench ;MATLAB目录1绪论 (5)1.1 课题研究的背景 (5)1.1.1 船舶吊机简介 (5)1.1.2 课题的国内外研究现状 (6)1.1.3 数值分析与有限单元法 (6)1.1.4 有限元法的发展 (7)1.1.5 优化设计与拓扑优化 (7)1.1.6 ANSYS workbench在静态结构分析中的运用 (8)1.2 课题研究的目的和意义 (9)2船舶吊机立柱架的结构设计 (10)2.1 课题的设计内容 (10)2.1.1 课题名称 (10)2.1.2 设计内容 (12)2.2 船舶吊机的受力分析 (13)2.2.1 船舶吊机的工作状况介绍 (13)2.2.2 简化模型 (13)2.2.3 给定参数 (14)2.2.4 受力分析 (14)2.3 MATLAB数值分析 (16)2.3.1 目标函数 (16)2.3.2 约束条件 (16)2.3.3 最优解的搜索 (16)2.3.4 求解结果及其分析 (17)2.4 立柱架的结构设计 (19)2.4.1 立柱架整体外形的初步确立 (19)2.4.2 立柱架的设计 (23)2.5 建立立柱架三维模型 (29)3船舶吊机立柱架的有限元分析 (30)3.1 立柱架整体的有限元分析 (30)3.1.1 有限元模型 (30)3.1.2 材料参数 (31)3.1.3 设计载荷 (31)3.1.4 边界条件 (33)3.1.5 计算结果及分析 (33)3.2 立柱的有限元分析 (37)3.3 立柱支撑架的有限元分析 (38)4船舶吊机立柱架的优化设计 (39)设计总结 (40)参考文献 (41)致谢 (41)附录A——MATLAB程序 (43)附录B——二维工程图 (45)附录C——三维模型 (45)附录D——ANSYS载荷步 (47)附录E——立柱架图纸清单 (48)1 绪论1.1 课题研究的背景本课题来源于生产实践，其研究对象是船舶吊机立柱架。

定柱式悬臂起重机开题报告定稿

****学院毕业设计开题报告学生姓名：****学号：****学院、系：****专业：机械设计制造及其自动化设计题目：定柱式悬臂起重机结构设计与分析指导教师:********年 3 月 21 日毕业设计开题报告1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述1.研究背景和意义悬臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，结构独特，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活等特点，三维空间内随意操作，在短距、密集性调运的场合，比其它常规性吊运设备更显示其优越性[1]。

本产品广泛应用于各种行业的不同场所。

悬臂起重机工作强度为轻型，起重机由立柱，回转臂回转驱动装置及电动葫芦组成，立柱下端通过地脚螺栓固定在混凝土基础上，由摆线针轮减速装置来驱动旋臂回转，电动葫芦在旋臂工字钢上作左右直线运行，并起吊重物。

[2]起重机旋臂为空心型钢结构，自重轻，跨度大，起重量大，经济耐用。

[3]定柱式悬臂起重机又称立柱式悬臂起重机，起重量在125Kg-5000Kg，立柱式旋臂吊具有结构新颖、合理、简单、操作方便、回转灵活、作业空间大等优点，是节能高效的物料吊运设备，可广泛适用于厂矿、车间的生产线、装配线和机床的上、下工作及仓库、码头等场合的重物吊运。

[4]定柱式旋臂吊根据其旋臂所使用型钢的不同可以分为：BZD型和BZD-JKBK型。

[5]近年来，随着电子计算机的广泛应用，许多起重机制造商从应用计算机辅助设计系统（CAD），提高到应用计算机进行起重机的模块化设计。

根据市场调查预测的统计数字和积累的资料、图表、图线规律，在严密的科学理论指导下，拟定起重机结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。

[6]起重机采用模块单元化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业的技术、生产和管理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度都将大大加快。

机械毕业设计612T 立柱式旋臂起重机的设计定稿

目录摘要 (1)关键字 (1)前言 (2)1 起重机设计总则 (3)1.1 我国起重机机械行业 (3)1.2 国际起重机机械行业 (3)1.3 起重机的作用和作业特点 (4)1.4起重机的组成 (4)1.5起重机的类型 (4)1.6旋臂起重机介绍 (5)2 起升机构的设计 (6)2.1 确定起升机构的方案 (6)2.2 电动葫芦的选择 (6)2.3 钢丝绳的选择与使用 (7)2.4 确定滑轮参数 (8)2.5 确定卷筒尺寸并验算其强度 (9)2.6 电动机的选择 (11)2.7 验算起升速度和实际所需功率 (12)2.8 卷筒心轴的设计及强度计算 (13)2.9 取物装置计算 (15)2.10 钢丝绳在卷筒是的固定及计算 (16)2.11 验算启动及制动时间 (17)3运行机构的设计 (19)3.1运行阻力 (19)3.2 验算电动机发热条件 (19)3.3 验算启动时间 (20)3.6 选择制动器 (20)3.8 验算制动时间 (20)3.9选择减速器 (20)4回转机构的设计 (21)4.1 回转机构的组成及常用形式 (21)4.2载荷计算 (23)4.3 回转驱动装置计算 (25)4.4 电动机的选择与校验 (27)4.5 确定机构速比选择联轴器 (28)4.6 制动器的选择 (28)4.7 减速器的选择 (29)4.8 螺栓组连接的设计 (29)4.9 强度的校核 (31)总结与发展 (33)参考文献 (34)致谢 (35)附录1 (36)附录2 (47)2T 立柱式旋臂起重机的设计摘要：起重机是工程实际中广泛应用的特种设备。

而旋臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活和结构独特等特点.根据旋臂起重机的整体结构特点和规范规定，了解起重机的发展现状、分析起重机的工作原理、系统组成、所要求实现的功能和相应的结构上必不可少的。

该设计主要针对起升机构选择相应的零部件及技术参数，使其既能很好的实现起重机的运行还不互相干涉且配合良好，也对回转机构做了详细的分析介绍。

固定塔式起重机的结构优化和材料创新

固定塔式起重机的结构优化和材料创新结构优化和材料创新是工程领域不断追求的目标。

在固定塔式起重机的设计和制造中，结构优化和材料创新可以提高其性能、减轻重量、降低成本、增加安全性和可靠性。

本文将从结构优化和材料创新两个方面探讨固定塔式起重机的发展趋势和重要性。

首先，结构优化是固定塔式起重机设计中的关键环节。

通过通过CAD（计算机辅助设计）和有限元分析软件的使用，设计师可以对塔机的结构进行模拟和测试，以寻找最佳的结构设计。

结构优化可以考虑以下几个方面：首先，优化塔机的材料使用。

材料的选择直接影响塔机的重量和强度。

目前，高强度钢材的应用可以显著减轻塔机自重，并提高其抗风能力和承载能力。

然而，在材料选择时还需要考虑成本和可持续性因素，以确保经济性和环保性。

其次，考虑结构布局的优化。

通过合理的布局和优化支撑架的数量、尺寸和位置，可以减少塔机的阻力，提高其运动平稳性和抗风能力。

这可以通过有限元分析等工具来模拟和验证，以确保在不同工况下的稳定性和可操作性。

此外，优化塔机的关键节点和连接方式也是一种有效的结构优化手段。

通过对各个关键节点的分析和改进设计，可以提高塔机的整体性能和可靠性。

同时，合理的连接方式可以减少疲劳损伤和振动干扰，提高起重机的寿命。

其次，材料创新在优化固定塔式起重机中起着重要作用。

新材料的应用可以提高塔机的性能、耐久性和可靠性。

以下几种材料创新可能在固定塔式起重机领域发挥积极作用：首先，纳米复合材料的应用有望提高塔机的强度和轻量化水平。

纳米复合材料具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，可以减少材料的自重并提高塔机的抗风性能。

此外，纳米材料还具有优异的电导率和热导率，可以应用于智能塔机的传感器和控制系统。

其次，碳纤维复合材料的应用可以减轻塔机的自重，并提高其抗冲击和疲劳性能。

碳纤维具有极高的强度和刚度，同时具有优秀的耐腐蚀性能。

随着碳纤维复合材料制造工艺的进步，其成本逐渐下降，使得其在起重机领域的应用更加可行。

浅析起重机吊臂结构的有限元分析与优化

浅析起重机吊臂结构的有限元分析与优化摘要：以起重机吊臂为分析对象，采用CEＲO软件建模，以有限元分析软件ANSYSWorkbench为平台，在各种典型的工作条件下对起重机臂进行有限元分析，并利用ansys软件对基础臂的截面参数进行优化。

将目标函数设置为起重机臂的重量，并对其进行优化，以满足强度和刚度作为约束的要求。

计算最合理的结构以节约成本。

关键词：CEＲO 软件建模 ANSYS Workbench 有限元分析结构优化引言：随着我国起重机行业的不断壮大，起重机吊臂结构有限元的问题引起了人们的重视。

市场反馈的信息及客户需求，制定了 2013—2014 年度随车起重机吊臂结构优化设计指标及措施：1．吊臂采用HG70高强度结构钢，强度提高10%。

相比HG60钢重量降低6%。

2．吊臂最大工作幅度同比国内同型号产品增加8%，10 t机型基本臂达到4500 mm，工作范围增加 8%。

3．吊臂优化设计，筒体焊缝减少到道焊缝，焊缝长度降低到同类型号的1/4 ～ 1 /2（其他机型有的多达8条焊缝，对焊接要求很高），且大大减少焊后校正的工作量。

4．吊臂增加了滑块接触点与接触面积，提高了吊臂的可靠性。

采用4点支撑，加大滑块面积。

5．吊臂内置伸缩机构，设计上采用了具有部分带载伸缩的结构，整个吊臂整洁美观，保护伸缩机构效果好，内部采用全钢滑轮及重载轴承，且具有一定的带载伸缩能力。

吊臂的结构形式主要由吊臂本体结构：即各吊臂的截面形状，吊臂工作长度，加强结构，伸缩机构设计决定。

对吊臂本体结构和伸缩机构进行了优化设计。

1 吊臂本体结构设计吊臂大都采用以高强度钢板为主的箱形截面，国内起重机吊臂的截面形式主要有四边形、五边形、六边形、八边形等，而中小吨位的起重机吊臂截面形式以五边形居多。

国外的起重机发展时间较长，吊臂的截面形式主要是优化设计过的圆角化多边形、椭圆形、U 形等，如德国和意大利的起重机吊臂截面主要以椭圆形居多，而国内只有徐工的大型全路面起重机才使用这样的截面形式。

定柱旋臂起重机强度计算书

<[τ]
4. 定柱顶部连接板强度校核
`
作用力F1可认为直接作用在连接板截面，截面受力产生拉应力（如图）：
………… 强度满足
b
已知： h1= 222.42
mm
h2= 60
mm
b= 20
mm
由上得截面面积 A=（h1-h2)*b= 3248.4
则σ=F1/A= 14.388
Mpa
mm2 < [σ]
………… 强度满足
式中：Ko：螺栓的预紧系数
Kc：刚度系数
查资料得：Ko+Kc= 2.5
∑Xi2：所有螺栓距轴心的距离平方和（图中测量后算出）
∑Xi2= 336400
mm2
∴ P= 96515.415
N
∴ σ=P/A=4*P/(π*H2）= 184.351
Mpa < 800 Mpa (8.8级螺栓）………… 强度满足
lz-翼缘计算长度，对下翼缘受集中而言为，lz = a+2.5hy;按照GB50017规定，a=50mm,
hy为翼缘厚度和圆弧部分高度(如图所示,由型材截面中测量)现取:
hy= 27
mm
所以 lz=a+2.5hy= 117.5
mm
σε =Ψ*F/(tw*lz)= 9.027
Mpa
< [σ]
………… 强度满足
查资料得：Ko+Kc= 2.5
∑Xi2：所有螺栓距轴心的距离（此时采用a/2计算）平方和
∑Xi2= 504600
mm2
∴ P= 64343.61
N
∴ σ=P/A=4*P/(π*H2）= 122.901
Mpa < 800 Mpa

固定塔式起重机的设计优化与性能改进

固定塔式起重机的设计优化与性能改进摘要：固定塔式起重机作为一种常用的起重设备，广泛应用于各个领域。

设计优化和性能改进是提高固定塔式起重机工作效率和安全性的关键。

本文通过对固定塔式起重机设计原理、结构、控制系统以及关键部件进行分析，提出了一些设计优化和性能改进的方法，旨在提高固定塔式起重机的安全性、稳定性和工作效率。

一、问题分析固定塔式起重机在实际使用中存在一些问题，主要表现为以下几个方面：1. 安全性问题：固定塔式起重机在高空作业时存在一定的安全风险，如风力大、结构不稳定等因素可能引发起重机的倾覆或坠落。

2. 稳定性问题：固定塔式起重机在工作过程中容易出现晃动、共振等稳定性问题，影响起重机的准确性和稳定性。

3. 吊绳系统设计不合理：固定塔式起重机的吊绳系统设计不合理，操作起重物时容易产生晃动和摆动，降低了起重机的工作效率。

4. 控制系统不完善：固定塔式起重机在操纵和控制方面还存在一定的不足，需要进一步优化和改进。

二、设计优化与性能改进方法1. 结构优化：通过对固定塔式起重机结构进行优化设计，增加塔身的刚度和稳定性，减少起重机的晃动和共振问题。

在设计中可以采用更加合理的材料和结构方式，提高起重机的整体性能。

2. 吊绳系统改进：对起重机的吊绳系统进行改进，采用新型的吊绳结构和承重装置，减少晃动和摆动，提高起重机的工作效率。

可以使用自动平衡装置，实现吊绳的自动调整，提高起重物的准确性和稳定性。

3. 控制系统优化：对固定塔式起重机的控制系统进行优化，提高起重机的自动化程度和操控性。

可以采用先进的传感器技术和控制算法，实现起重机的智能化控制。

同时，加强对控制系统的监测和维护，确保起重机的安全性和稳定性。

4. 安全措施加强：为了提高固定塔式起重机的安全性，可以增加安全防护装置，如起重机倾覆预警装置、重物下落预警装置等，及时发现并处理潜在的安全风险。

此外，必须严格遵守起重机使用和操作规范，加强对操作人员的培训和安全意识教育。

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收稿日期:2001-03-31基金项目:山西省教育厅推广资助项目(200027)作者简介:徐格宁(1955-),男,山东莱州人,教授,博士生.定柱式旋臂起重机结构整体优化研究徐格宁,陆凤仪,张亮有(太原重型机械学院机电工程分院,山西太原　030024)摘要:根据旋臂起重机整体结构特点和规范规定,建立了面向整机对象的数学模型,基于MDOD 方法,研发出参数化整体优化设计软件,并已成功地用于工程实践.与常规设计对比表明,所建立的模型与方法很好地协调了旋臂起重机各结构部件的力学性能,实现了整体经济性和可靠性的最佳匹配.关键词:旋臂起重机;金属结构;整体优化中图分类号:TH 213.5;TU 39 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2001)12-1476-07Research on Completed Optimized Design ofStructure for Slewing Jib CraneX U Ge -ni ng ,L U Feng -yi ,ZHA N G L iang -you(Department of Mechanical and Electrical Engineering ,Taiyuan Heavy Machinery Institute ,Taiyuan 030024,China )Abstract :According to the characteristics of completed metal structure for slewing jib crane and the rule of design in this paper ,the structure completed optimized design model of the slewing jib crane was established ,and parameterized completed optimized design software was developed successfully based on MDOD method.The contrast results of optimized design and traditional design show that the model and method corresponded well in mechanical performance with each part of the structure for the slewing jib crane ,realizing the best matching between completed economy and reliability ,and providing modern design method and means for in 2dustry enterprises.Key words :slewing jib crane ;metal structure ;completed optimized 定柱式旋臂起重机(下称旋臂起重机)是广泛应用于机械加工过程的轻型起重机.随着市场竞争的日益激烈,对起重机的质量和价格提出了更高要求.因此,采用现代设计方法和信息技术对传统设计、计算模型、计算方法进行技术提升,以生产质高价廉、轻巧美观的旋臂起重机,提高企业的竞争力和技术创新能力.采用传统设计的旋臂起重机,存在着结构笨重和刚度不足的双向缺陷,难以获得经济性和可靠性的最优匹配.为此,本文以旋臂起重机整机结构为对象,进行整体优化方法研究及软件研制,为行业提供现代设计方法和手段.1　优化设计数学建模1.1　目标函数旋臂起重机结构优化目标是在保证使用性能前提下的制造成本最低,而与制造成本相关的主要因素是设计水平、材料消耗、加工工艺等.若全部考虑,则难以量化,使模型复杂化而失去实用性.因此本文模型第29卷第12期2001年12月同　济　大　学　学　报JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY Vol.29No.12　Dec.2001分别以旋臂起重机主结构质量最小和整机质量最轻为目标,其表达式分别为F J (X )=m L +m L Z +m Z J +m L S +m FL (1)F (X )=F J +m QZ +m HL +m DJ(2)其中:F J 为主结构质量目标函数值;m L 为横梁质量;m L Z 为立柱质量;m Z J 为支架质量;F 为整机质量目标函数值;m L S 为螺栓质量;m FL 为法兰盘质量;m QZ 为额定起重量;m HL 为葫芦小车质量;m DJ 为吊具质量.1.2　设计变量设计变量的选取,应使优化模型完备、简洁、实用,故本文设计变量选取如下:X (1)为横梁工字钢序号I =1～35;X (2)为立柱外径;X (3)为立柱板厚;X (4)为支架槽钢序号I =1～30;X (5)为支架翼缘厚;X (6)为支架翼缘宽;X (7)为支架腹板厚;X (8)为螺栓序号I =1～8;X (9)为法兰盘厚度,共计9个变量.1.3　约束条件本优化模型的约束条件分为显式约束与隐式约束两类. 显式约束X L i ≤X i ≤X U i (i =1,…,9)其中:X Ui ,X L i 为变量X i 的上、下界,根据设计的系列性、工艺性、实用性等优化范围由用户确定取值. 隐式约束f k (X 1,X 2,…,X 9)≤F k (k =1,…,N C )N C 为隐式约束个数.隐式约束包括立柱、横梁、支架结构静强度、稳定性、刚度,螺栓强度等共计28个.2　结构分析2.1　横梁设计图1　旋臂起重机整体数学模型Fig.1　Mathem atic model of slewing jib crane2.1.1横梁结构及受力分析横梁结构和载荷如图1所示.图中符号含义:G 为小车质量;Q 为起重量;H 为立柱高度;q 为横梁自重载荷集度;R 1为最小幅度;R 2为最大幅度;L 为横梁总长;L 1为横梁悬臂长度;L 2为支架重心至横梁悬臂根部距离;L 3为支架重心至支架边缘距离;L 4=R 1-(L 2+L 3)为支架边缘至立柱中心距离;N A 为A 点水平反力;N D 为D 点水平反力;R 为A 点垂直反力;F =f N D 为摩擦力,摩擦系数f =0.15;g 为重力加速度.2.1.2横梁结构内力分析根据静力平衡原理,由∑M A =0,得N D H 1+FL 4=[(Q +G )(L 1+L 2+L 3+L 4)+qL 2/2+W (L 3+L 4)]g 则N D =[(Q +G )(L 1+L 2+L 3+L 4)+qL 2/2+W (L 3+L 4)]g/(H 1+f L 4)(3) 由∑X =0,得N A =N D ,∑Y =0,得R +F =(G +Q +qL +W )g ,R =(G +Q +qL +W )g -F(4) 由结构节点B 弯矩平衡∑M A =0,得M A =R (L 2+L 3+L 4)-qg (L 2+L 3+L 4)2/2,则M C =[(G +Q )L 1+qL 21]g M D =M A +M C =N D H 1(5) 节点B 的弯矩图如图2所示.2.1.3　横梁强度校核比较横梁B 点最大弯矩:取M max ={M C ,M A },则σ=M max h (i )2I X (i )≤[σ](6)2.2　支架强度校核7741　第12期徐格宁,等:定柱式旋臂起重机结构整体优化研究σ=M D y I Z J≤[σ](7)2.3　立柱强度校核立柱内力图如图3所示,因立柱是典型的压弯构件,除计算强度外,还必须计算整体与局部稳定性.图2　节点B 的弯矩图Fig.2　B ending chart of node B图3　立柱内力图Fig.3　I nternal force chart of m ast2.3.1　立柱强度校核σ=R A A L Z+M D D W J2I L Z≤[σ](8)2.3.2　立柱整体稳定校核计算r =I L Z A L Z,λ=2Hr,查表[1],得到稳定系数Φ.则N 0=R A +m L Z g3,N E =π2EA L Zλ2,σW D =N 0ΦA L Z+M D D W J2I L Z 1-N 00.9N E≤[σ](9)2.3.3　立柱局部稳定校核[σJ B ]=0.2EδL Z(D W J -δL Z)/2,σW D ≤[σJ B ](10)3　整机变形设计整机变形最大挠度发生在悬臂端点,组成定柱式旋臂起重机钢结构的各结构部件,均对综合变形有所贡献.综合变形的大小应受到设计标准值的控制.旋臂起重机整机钢结构变形情况见图4所示.以下分别计算各部件的变形.3.1　立柱变形计算立柱最高点的转角β对横梁端点引起的垂直变形有所贡献,必须计入.在弯矩N A 作用下,β2=N A H 2/2EI L Z ;在弯矩N D 作用下,β3=N D (H -H 1)2/2EI L Z ;且β=β2-β3=α. 由转角β对横梁端点引起的垂直变形Y 1=tan β(L 1+L 2+L 3+L 4)(11)3.2　横梁变形计算算法1:按整体横梁计算载荷吊点变形Y 21=(Q +G )gβ(L 1+L 2+L 4+L 4)3/3EI HL (12a ) 算法2:按横梁前段计算载荷吊点变形8741 同　济　大　学　学　报第29卷　Y 22=(Q +G )g βL 31/3EI HL(12b ) 按横梁后段计算横梁载荷吊点变形Y 3=R A (L 2+L 3+L 4)3L 1/(3EI HL (L 2+L 3+L 4))(13)3.3　支架变形计算根据文献[1]计算变截面支架折算惯性矩,取距小端0.75H 处作为计算截面.计算模型见图5.由几何条件C 3=C 2+0.75(C 1-C 2),得Y -Y 轴位置:X =2A C h/2+C 3D (0.5C 3+h )+B 1D 1(0.5D 1+C 3+h )2A C +C 3D +B 1D 1X 2=N D H 31/3EI Z JI Z J =I Y =2I C +2A C (X -0.5h )2+C 3D (0.5C 3+h -X )2+B1D 1(C 3+h -X -0.5D 1)2(14)图4　旋臂起重机结构变形图Fig.4　Structure displacement chart of slewing jib crane图5　支架计算模型Fig.5　C alculating model of bracket3.4　结构综合挠度计算为安全慎重起见,将两种算法同时引入约束集中.算法1:Y ZH1=Y 1+Y 21算法2:Y ZH2=Y 1+Y 22-Y 3+X 2L 1/H 1(15)3.5　整机总变形约束条件[2]工作级别为A1,A2,A3时,Y ZH1或Y ZH2<[Y ]=(H +L 1+L 2+L 3+L 4)/250;工作级别为A4,A5,A6时,Y ZH1或Y ZH2<[Y ]=(L 1+L 2+L 3+L 4)/250;工作级别为A7,A8时,Y ZH1或Y ZH2<[Y ]=(L 1+L 2+L 3+L 4)/400.亦可根据企业经验确定.4　螺栓计算计算假定:①螺栓均布于圆周;②保证4个螺栓布置在相互垂直的坐标轴上;③螺栓总数n 为已知.设相邻螺栓之夹角为α=2π/n ;在[0～π/2]内,螺栓数为i ,则i α=π/2;由此导出[0～π/2]区间螺栓个数i 与螺栓总数关系为:i =n/4.螺栓布置中心线直径为D W J +2d +10mm ,其中d 为螺栓外径,10mm 为焊缝空间,螺栓计算模型见图6.Y i =(D W J +2d +10)sin (i α)/2 (i =1,n )∑n i =1Y 2i=2[Y 2n +2(Y 21+Y 22+…+Y 2i +…+Y 2n -1)]P max =(K 0+K C )M max Y max /∑ni =1Y 2i(16)σ=4P max /πd 20<[σBLO T ](17)其中:K 0为螺栓的预紧系数;K C 为刚度系数;[σBLO T ]为螺栓的许用应力.9741　第12期徐格宁,等:定柱式旋臂起重机结构整体优化研究5　法兰盘计算法兰盘计算简图参见图7. 法兰盘面积:A FL =π(R 2-r 2)(18) 法兰盘抗弯模量:W FL =π(R 3-r 3)/32(19) 轴向力产生的应力:p 1=N 0/A FL .力偶产生的应力:p 2=M D /W FL ,总应力为p =p 1+p 2(20) 设a 为两加筋板之夹角φ所对应的弦长,[σ]为法兰盘材料的许用应力,则法兰盘的厚度T FL =X (9)≥6pa 2/8[σ](21) 根据规范[3]规定:20mm≤T FL ≤40mm ,作为上下限引入约束集.图6　螺栓计算模型Fig.6　C alculating model of bolts图7　法兰计算模型Fig.7　C alculating model of flange6　优化方法及结果6.1　优化方法工程结构常用优化方法多为连续变量约束非线性方法,只能提供连续变量最优解.而当产品设计必须符合设计规范和标准,某些设计变量只能取为离散值时,通常权宜之计是将连续变量最优解圆整为邻近的离散值.这种方法虽简单,但蕴藏着很大的危险性.因为最优解一般总在约束域边界上,而圆整解极可能落在约束域外而为不可行解,当最优点处于多个约束曲面交集上时,此情况更易出现.旋臂起重机在满足强度、刚度、稳定性条件下,寻求重量最轻的模型中,当钢板厚度、高度、宽度作为设计变量时,由于钢板市场供货的限制及切割公差的限制只能取为有限整数值.此外,约束非线性离散变量优化方法只在有限离散点上搜索,大大提高了计算速度.因此,为保证旋臂起重机整体优化的科学性和有效性,本文采用约束非线性离散变量的MDOD 优化方法[4].本软件采用Microsoft ———Fortran Power Station 4.0和VB6.0高级语言编写.软件由22个模块组成.软件功能为:根据用户提出的起重量,起升高度,旋臂长度等参数,对旋臂起重机结构尺寸,各构件截面尺寸进行优化匹配,完成螺栓选择、间距布置和地脚法兰盘计算,并具有作为报价依据的结构自重计算功能.完成横梁强度、工字钢下翼缘局部弯曲应力计算、板的局部稳定性、旋臂起重机整机变形的计算;立柱强度、整体及局部稳定性计算;支架强度、板的局部稳定性计算等.6.2　优化结果根据某企业现行系列产品的数据和标准,采用本文整体优化软件,对全系列进行常规和优化设计,常规设计保留了原设计产品的所有参数.现代方法体现于优化设计中,传统方法体现于常规设计中.优化设计与常规设计结果对比按截面参数、应力水平、重量指标三项体系进行评价.截面参数体现截面参数的差841 同　济　大　学　学　报第29卷　异,应力水平体现安全性,重量指标体现经济性.对比结果汇总于表1～3.表1　旋臂起重机常规与优化设计结果截面参数对比T ab.1　C ross section parameter contrast betw een optimum and ordinary design method for slewing jib crane mm 截面参数算法工钢高腹板厚翼缘厚槽钢高腹板厚翼缘厚立柱直径立柱板厚螺栓直径BZ0.25-5常规220.07.512.3140.0 6.09.5273.012.024.0优化220.07.512.363.0 4.87.5260.0 6.020.0BZ0.5-5常规250.08.012.3140.0 6.09.5351.012.024.0优化250.08.013.063.0 4.87.5272.010.024.0BZ1-5常规320.011.515.0140.0 6.09.5426.011.024.0优化280.010.513.763.0 4.87.5360.010.024.0BZ2-3常规320.011.515.0100.0 5.38.5426.011.024.0优化320.011.515.0100.0 5.38.5426.09.024.0BZ2-5常规450.013.518.0140.0 6.09.5530.012.024.0优化360.010.015.8180.07.010.5463.0 6.024.0BZ3-5常规500.012.020.0140.0 6.09.5600.012.020.0优化450.011.518.0140.0 6.09.5574.0 6.030.0BZ5-4常规560.012.521.0140.0 6.09.5630.012.030.0优化400.010.516.5160.08.510.0584.08.030.0表2　旋臂起重机常规与优化设计结果应力水平对比T ab.2　Stress contrast betw een optimum and ordinary design method for slewing jib crane应力水平算法横梁应力/MPa横梁稳定性/MPa局部应力/MPa立柱应力/MPa立柱稳定性/MPa支架应力/MPa螺栓应力/MPa立柱刚度/MPa综合挠度/mm标准156.0156.0156.0156.0156.0156.0156.0120.0R2/100BZ0.25-5常规58.734.88.131.431.244.662.965.033.4优化58.734.78.164.564.160.393.966.849.9BZ0.5-5常规71.640.515.730.229.473.082.450.033.2优化71.640.515.760.460.187.299.964.749.4BZ1-5常规70.430.521.440.540.0135.1125.540.928.1优化92.943.826.961.060.480.687.548.546.1BZ2-3常规75.113.242.453.652.769.3133.955.925.2优化75.113.242.464.663.561.6133.955.628.1BZ2-5常规46.610.427.140.940.272.7143.832.814.1优化77.319.737.199.798.258.7155.937.134.8BZ3-5常规67.019.833.752.751.7129.5265.138.527.6优化85.928.243.2110.1108.4150.2118.339.849.8BZ5-4常规52.8 6.154.260.659.0189.2252.627.516.3优化112.417.1101.0102.299.7153.9115.629.540.0表3　旋臂起重机常规与优化设计结果质量指标对比T ab.3　Weightcontrast betw een optimum and ordinary design method for slewing jib crane质量指标算法横梁重/kg立柱重/kg支架重/kg螺栓法兰重/kg结构重/kg净总重/kg结构下降/%总重下降/%平均下降/%BZ0.25-5常规171.8231.731.3 4.7439.4576.0优化197.7111.917.511.8338.9439.5233127.9BZ0.5-5常规197.0301.035.212.1545.2675.2(结构)优化197.0137.220.712.9367.8497.83336BZ1-5常规304.1337.742.319.7703.8903.8优化304.1159.821.718.3503.9703.92828BZ2-3常规200.2461.661.521.4744.71074.7优化200.2295.138.221.3554.9884.9252128.1BZ2-5常规304.1337.782.122.5746.41076.4(总体)优化316.2187.341.730.2575.4905.42319BZ3-5常规493.8696.0130.125.71345.71695.7优化422.7368.159.550.8901.11251.13336BZ5-4常规444.9548.7107.029.21129.71679.7优化282.9341.5122.041.8788.21338.230261841　第12期徐格宁,等:定柱式旋臂起重机结构整体优化研究为形象表述,根据表中数据,按照结构质量、整机质量指标、钢结构部件力学指标、截面参数指标体系,运用“产品系列—指标体系—点折线图”形式,清晰直观地描述了旋臂起重机的各项指标、各结构件,在常规设计和优化设计下的相关趋势(参见图8).图8　常规和优化设计方法的质量对比Fig.8　Mass contrast betw een optimum and ordinary design method7　结论(1)表1数据显示:旋臂起重机主结构优化后质量轻于优化前23%～33%,平均减重27.9%;总重减少19%～36%,平均减重28.1%.实际工程技术经济效益分析表明,年成本降低率为127%,效果非常明显.(2)对比表明:整体优化设计的产品,最大限度地提高了材料的利用率,合理地匹配了各结构部件的尺寸,充分发挥了材料的力学性能.而原常规设计产品,存在设计的双重盲目性:一是材料富余(强度、挠度远远小于许用值),构件匹配失衡(部件之间力学指标差距过大),导致经济性下降;二是应力超标(见表2,加框数字表示的支架和螺栓应力),导致整机可靠性降低,安全性下降.(3)本优化软件很好地协调了旋臂起重机结构各部件的力学性能,充分发挥了各自的贡献,使质量总目标在满足总约束的条件下最小化,使各项约束趋向均衡化,达到经济性和可靠性的最佳匹配.支持本软件的力学建模、优化算法,以及开放的数据结构是科学合理的;软件开发是成功实用的.(4)本文方法和软件已应用于工程实践,效果良好.它能够指导产品设计与开发,提高起重机设计质量、报价速度和水平及产品竞争能力,为行业提供了现代设计手段.参考文献:[1]　徐格宁.起重运输机金属结构设计[M ].北京:机械工业出版社,1997.[2]　JB/T8906-1999(eqv BS 7333:1990),悬臂起重机[S].[3]　G B3811-83,起重机设计规范[S].[4]　余　俊,周　济.优化方法程序库OPB -1———原理及使用说明[M ].北京:机械工业出版社,1989.2841 同　济　大　学　学　报第29卷　。