桥式起重机箱形梁的优化设计

桥式起重机箱形梁的优化设计

作者：胡武星 费宁怡

来源：《中国科技博览》2018年第18期

[摘 要]随着现代化进程的加快，各个行业获得了良好的发展空间，尤其是机械工程领域，起重机也发挥着越来越重要的作用，有利于提高工作效率、减轻体力劳动，保障生产安全。箱型梁结构作为桥式起重机的重要部分，其设计的优劣对起重机性能有着决定性作用，这就需要认真分析箱型梁主梁偏重等不利因素，优化设计箱型梁，如波形腹板结构设计等，进而减轻主梁重量，节省材料，提高起重机的性能。本文就对桥式起重机箱形梁的优化设计进行分析和探究。

[关键词]桥式起重机；箱形梁；优化设计

中图分类号：S995 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）18-0181-01

当前桥式起重机被广泛应用在各领域，但传统的桥式起重机在设计制造中过于注重安全问题，加上一些条件的约束，导致起重机的运行效率低，结构合理性差，安全系数过大，增加材料消耗、基建费用、制造成本。随着科技的快速发展，桥式起重机运作过程中出现越来越多的问题，因此以提高效率、减轻机重、增加技术含量等为主，优化起重机箱形梁结构设计，提高起重机的性能和工作效率势在必行。 一、桥式起重机概述

桥式起重机是起重机中的一种类型，被广泛应用在室内起重作业中，尤其是高空作业、厂房、生产车间等。对于桥式起重机而言，其得名于桥梁式结构，能沿固定轨道滑行的方式运载重物，可以根据不同的应用场合给予调整，包括单主梁桥式起重机、电葫芦双粱桥式起重机、电动单粱桥式起重机、电动双粱桥式起重机等类型。桥架是所有桥式起重机中的主要金属结构，负重较大，运行轨道为车间两边吊车梁；当前国内起重行业中，桥式起重机桥梁多为腹式箱型梁，利用科学与合适的桥架，优化设计箱型梁，从而降低基建费用和制造成本，节省材料。当然在桥式起重机箱型梁的优化设计中，必须要以箱型梁自身重量的减轻为基础，以起重机性能的提高为原则，设计出包括波形腹板、空腹桥架、单主梁桥架等结构的新型桥架结构。 二、桥式起重机主梁结构的设计和研究

通常情况下，桥式起重机的分类方式多种多样，根据主梁的数量可分为双粱桥架、单粱桥架；根据结构设计可分为精架式桥架、型钢粱式桥架、箱式结构桥架。每种结构形式的桥架都有自身功能特点，如箱型结构桥架工艺简洁、生产简单，适应多种工作需要，但其水平强度低、重量较大，内部焊接时相对麻烦，有些焊接位置易开裂，使用寿命不长，影响工作效率。另一种结构主梁是型钢粱，利用工字钢材料进行制作，机器质量小且设计简单，而随着设计方

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法和工艺的更新，型钢粱的缺陷逐步得到改善。所以在桥式起重机的桥架结构设计过程中，需要注意下列几点：①主梁的硬度和强度要足够高，达到生产安全和正常运行的目的；②桥架要与大小车密切配合，使机器能有序运行；③尽量降低桥架自身重量，以便控制成本，保证应用效果。

要想优化设计桥式起重机主梁结构，应该从轻量化方面进行改造，对主梁箱型截面的尺寸进行改善，探索计算机出相关的参数，以此实现主梁的轻量化，提高起重机的安全系数和整体性能。以某厂家生产的通用型桥式起重机为例，其主梁结构设计为半偏轨式结构，与传统设计相比更为简单，便于维护和生产，使机器性能得到明显改善。由于主梁是由隔板、端板、下盖板、盖板、腹板焊接形成，属于封闭的箱型结构，优化设计过程中需要统计分析主梁参数。主梁各部分之间依赖刚性连接，对单元网络进行划分时，应该兼顾实际性、经济性、精密度等因素进行准确计算，但考虑经济和时间的成本，实际应用中不需精细划分单位网络。

将箱型梁主梁作为简支架进行研究，固定左端、简支右端，通过研究小车满载于主梁中央时，发现此时驻留承受了最大的压力，极易发生事故。因此满载的小车滑行于主梁轨道上，必须要综合分析主梁的自重和制动产生的惯性力，设计出科学的单元模型对主梁结构进行模拟，静力分析主梁结构，找出最大负荷下的最大形变和最大应力，利用获得数据检测刚度和强度，优化设计方案。除了上述问题外，完成桥式起重机箱型梁主梁优化设计时，还要恰当设置输出输入参数，灵活运用模型再现，从而获得准确科学的设计结果。 三、桥式起重机箱形梁腹板的优化设计 （一）实例分析

本文选择市场上销售较好的50t桥式起重机，对波形腹板和平直腹板的有限元进行分析比较。该起重机的相关参数包括起重机荷载、主梁尺寸和结构，其中起重机荷载涉及主梁受压1.88×105N、小车自重15200kg、起升荷载50t等；主梁跨度达22.5，下盖板和上盖板分别为23.28m和23.06m，腹板为21.9m。在实际应用中，分析两种腹板的有限元发现，箱型梁主梁的腹板受剪力、弯矩、平面力的影响；对两种腹板的属性单元和壳单元进行分析，发现盖板和腹板的属性单位不同，而壳单元较为符合。在具体设计过程中，副腹板和主腹板的厚度分别为4mm和8mm，其他尺寸与一般情况相一致时分析两种腹板的有限元，发现波形腹板各节点各项的受力相对均匀，总体受力情况较好，应力值明显低于直腹板，而平直腹板节点各项之间的应力有着剧烈变化，影响粱的制动运行。 （二）优化设计

优化设计的桥架结构包括波形腹板、空腹桥架、单主梁桥架，其中波形腹板作为桥式起重机箱型梁的重要结构，是优化设计平直腹板的结果，利用波形腹板的波形变化规律的设定，对腹板承载面积加以扩大。对于桥式起重机箱型梁腹板而言，其承受的压力主要来自弯矩荷载作用和平面压力，而在受力面积相同条件下，波形腹板的受压能力明显强于平直腹板。通常箱型

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梁平直腹板转变为波形腹板时，会减少腹板的自身重量，提高腹板竖直方向的稳定性，但也会减小波形腹板与腹板水平刚度之间的抗扭刚度，降低桥式起重机的性能。针对这种情况，必须要优化配置箱型梁的腹板，对箱型梁自身重量加以减轻的同时，促进桥式起重机性能的提高，现针对如下配置方案进行研究。

第一，反向配置两种波形腹板。反向配置两个波形腹板，往往会改变两个腹板之间的距离，影响腹板水平方向刚度的均匀性，不利于保证箱型梁的整体稳定性，因此在实际作业中不建议应用该方案。第二，通向配置两个波形腹板。通向配置两个波形腹板时，由于两个腹板之间具有一定的相位差，致使该方案存在较大的缺陷。这一方案中的两个波形腹板的抗扭刚度与水平刚度都不在理想的状态，桥式起重机在大车运行中的水平方向会产生过大的冲击力，减小箱型梁主梁的水平刚度，使主梁变形，对桥式起重机性能产生一定影响，甚至引发安全事故。所以该方案与实际应用要求不相符，不允许用在桥式起重机的设计中。第三，一个平直腹板和一个波形腹板。在垂直方向上，平直腹板的刚度小于波形腹板，在水平方向上，平直腹板的刚度大于波形腹板，该方案充分考虑到波形腹板和平直腹板的优缺点，通过折中的设计思路，更好地平衡二者在水平方向和垂直方向的刚度，保证方案设计的优化性，可用于实际操作中。从上述三种方案可以发现，平直腹板的受压能力明显低于波形腹板，但只使用两个波形腹板，不论是反向配置还是通向配置都不可取，只有结合使用一个波形腹板和一个平直腹板，才能保证水平和垂直刚度的最佳状态，取得良好的实际应用效果。 结束语

总而言之，桥式起重机箱型梁中平直腹板的受力情况明显不如波形腹板，但在设计过程中采用一个波形腹板和一个平直腹板的配置方案，更加适用于实际应用。由于波形腹板和平直腹板有各自的缺点和优势，在箱型梁优化设计中进行综合分析，能够有效节约材料，减少起重机自身的重量，提高起重机的性能，使其安全系数与实际操作相符。我国起重机结构设计存在浪费严重、成本高等问题，而随着技术的进步与完善，对箱型梁主梁和腹板的研究会更加深入与透彻，也会获得更为完善的优化设计方案，提高起重机的质量。