桥式起重机主梁结构分析和优化设计

桥式起重机主梁结构分析和优化设计

【摘要】随着工业的迅速发展，越来越多的工作需要机器代替人工来完成，比如货物的搬运就必须借助起重机，人力是很难完成的。起重机械不仅是现代化生产中的工具，也是不可缺少的生产设备，对提高生产效率、减轻工人工作量、节约生产成本、提高生产安全系数等，有着至关重要的作用。目前应用最广泛的起重机就是桥式起重机，但这种起重机结构尺寸比国外同样吨位的起重机大很多，造成了材料和资源的浪费。本论文在桥式起重机起重量和跨度一定的情况下，对主梁结构进行分析有优化设计。

【关键词】桥式起重机；主梁；结构分析；优化设计

1.主梁结构分析和优化概述

由于计算机的发展和广泛应用以及优化理论知识的发展，起重机的设计从传统设计发展到可以建立一种设计过程中自动选择最有方案的迅速而有效的方法，这种方法也是目前在机械设计中应用最广泛的一种设计方法，即优化设计法。主梁结构优化设计即是在满足行业规范及特定要求的前提下使结构的重量、造价、刚度、灵敏度、稳定性和可靠性达到最佳的方法。

起重机是提高生产效率、节约生产成本、减轻工人劳动负担、实现安全生产的起重运输设备，在一定的范围内水平移动和垂直起升的设备，具有作业循环性和动作间歇性的特点，所以在主梁的结构分析和设计中一定要兼顾到安全性能和稳定性能。

2.桥式起重机主梁结构的分析

2.1主梁结构设计的要求

目前桥式起重机的种类比较多，根据主梁的数目可大致分为单梁桥架和双梁桥架，根据结构可大致分为型钢梁式桥架、箱型结构桥架、精架式桥架。钢梁式结构的主梁一般采用工字钢，结构简单，起重量小，一般应用于小车；箱型结构应用比较广泛、工艺简单，但其主梁易下饶。综上桥式起重机的特点，在对主梁的结构进行设计时，必须满足以下几个基本要求：

（1）主梁的刚度和强度要满足要求。

（2）尽可能降低主梁的重量，这样不但可以减轻起重机的自重，也减轻了桥架和厂房建筑结构的负载，同时也能节约资源、减少生产成本、提高安全性能和运行的稳定性。

（3）桥梁的大小必须和大小车运行的机构配合好，确保正常运转。

（4）结构的设计要尽量美观和便于大批量生产。

2.2国内外主要采用的主梁结构

目前虽然国内主梁结构类型繁多，但大多都是由箱型截面的双腹梁式和四桁架式这两种基本形式发展而来的。箱型截面的板梁式桥架是目前我国生产起重机桥架的基本形式，其自身重量比较大，但结构简单安装和维护都比较方面，有利于大批量生产；四桁式主要有两根主梁左右两根端梁构成，为了减轻自重和制造方便，主梁的外形一般是做成两端向上倾斜的，很少做成抛物线型的。

3.主梁结构的优化设计

主梁的优化设计一方面可以从主梁的宽度、厚度、重量、体积等关键部件的改进，在进行改进的同时要严格执行国家标准，确保优化设计的同时起重机能够安全、稳定的运行；另一方面可以基于ABSYS对主梁结构进行优化设计。

3.1对主梁自重进行优化设计

我国对起重机主梁的优化设计多采用多级模糊综合的方法，综合空滤成本、性能、工艺、生产、制造以及使用维护等多方面的因素，尽可能在达到起重机规格标准的情况下减小零部件，从而达到起重机整体优化的效果。另一方面在对桥式起重机主梁结构分析和优化设计中，最主要的就是对主梁结构轻量化，在起重量相同的情况下，减轻起重机主梁的重量。优化设计主要以主梁箱型截面的各个尺寸为设计变量，利用计算机技术求得设计需要的参数，便于加工和生产，起到了主梁结构优化的作用。主梁结构的优化，可以减轻起重机的自重，这样不但能节约资源、减少生产成本，还能提高安全性能和运行稳定性，也减轻了桥架和厂房建筑结构的负载；节约能源和材料是起重机主梁结构优化设计的一个主要问题，也是目前起重机械行业发展遇到的瓶颈。目前我国吸取国外先进的优化设计理念，自主研发高性能、低耗材的“三合一”技术，驱动装置采用国外的高性能减速器，将减速器吊挂于端梁内侧，这样既可以不受振动的影响也可以避免主梁的影响。

3.2基于ABSYS对主梁结构进行优化设计

起重机的只要负载是在主梁上，传统的设计虽然能满足工程使用上的要求，但设计出来的主梁安全系数较低、不够稳定、截面结构形式和其所承受的弯矩不匹配，这种不合理的结构设计必然会导致材料的浪费和梁自重的增加。为解决这一问题，可以基于ANSYS软件，利用APDL技术对主梁进行结构优化，是主梁在满足设计要求基础的同时，结构尺寸更加合理，从而达到主梁结构优化的效果。首先是基于APDL创建优化分析文件编制，其次是执行优化过程，最后是优化结果分析，这是基于ANSYS对主梁结构分析优化的三个简单步骤。

ANSYS软件单元库提供了近200种不同的单元类型供用户选择，以适应不同的分析需要。每次分析前，从ANSYS的单元库中选择一种或者几种正确的单

元类型，ANSYS将创建的几何模型转变为相应的有限元模型以对其进行有限元分析，为建立主梁正确的参数化模型提供依据。在正确分析主梁尺寸参数关系及负载计算的基础上，建立以主梁自重为设计目标的完整数学模型函数。基于对主梁的模态分析，得出对其结构的动力影响最大的低阶模态，得出主梁结构设计在外界激励下易被激发的频率及振型，对主梁的设计和起重机的使用提供有益参考。设计时可通过改变整机结构以改变振动出现的频率氛围，降低外界激励的振动，提高主梁的性能和安全系数以及操作者的舒适度。

4.结束语

本文以桥式起重机的主梁为研究对象，主要分析了桥式起重机主梁的结构以及主梁的优化设计。对于主梁的优化设计主要从两个方面来考虑，一方面是减轻主梁的自重，另一方面是基于ABSYS对主梁结构进行优化设计。主梁的结构设计是整个起重机工程系统设计的重要环节，各种先进的分析方法和先进的分析技术都在迅速的发展，在今后的起重级优化设计中更为重要的就是系统、全面的分析方法和专业的理论支撑。

【参考文献】

[1]汤秀丽，潘俊萍.桥式起重机主梁轻量化设计的关键技术[J].起重运输机械，2014.

[2]李欣灿，周诗洋.基于ANSYS的桥式起重机动态分析[J].湖北工业大学学报，2012.

[3]刘曰奇.桥式起重机箱形主梁结构分析及优化研究[D].东北林业大学，2012.

[4]齐玉红.基于ANSYS的桥式起重机主梁结构优化设计研究[D].郑州大学，2011.