起重機結構綜合優化設計

周 超 李向東江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036摘 要：介紹了起重機結構優化的思路、依據和約束條件，並以一種固定式懸臂起重機為例，進行了結構優化設計分析
，根據結構受力特點
，確定材料
、jiegouxingshihechicunweiyouhuafangxiang，tongguojisuanfenxihezonghebijiao
，zuizhongquerenbijiaohelideyouhuafangan，keweigongchengzhongqizhongjijiegouyouhuashejitigongyouyidecankao。guanjianci：結構優化；懸臂式起重機；設計計算中圖分類號：TH215 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）13-0079-04

0 引yin言yan起qi重zhong機ji是shi工gong業ye生sheng產chan的de基ji礎chu裝zhuang備bei，對dui經jing濟ji發fa展zhan有you舉ju足zu輕qing重zhong的de作zuo用yong。常chang規gui起qi重zhong機ji都dou是shi係xi列lie化hua產chan品pin
，使shi用yong行xing業ye內nei通tong用yong圖tu紙zhi
，經jing過guo多duo年nian不bu斷duan改gai進jin已yi經jing較jiao完wan善shan。而er一yi些xie特te殊shu的de起qi重zhong機ji

，由you於yu與yu常chang規gui起qi重zhong機ji在zai結jie構gou、功能
、shoulifangmianyoujiaodachayi
，xianyushejirenyuanshuipingyijigongqiyaoqiu，chucishejiwangwangzhikaolvanquanyaoqiu，duiyouhuafangmiankaolvjiaoshao
，daozhishejipianyubaoshou，jiegoucunzaibuhelizhichu。qizhongjijiegouyouhuadeyanjiujiaoduo[1-5]，其研究方法往往是建立模型
，計算靜強度、模態和剛度等數據
，若與許用值比有餘量，則采取減小尺寸、板厚等措施。這是一種單方麵的優化，雖然優化後結構減輕了，結構的安全係數也降低了[6]。本ben文wen將jiang討tao論lun起qi重zhong機ji多duo方fang向xiang綜zong合he優you化hua的de思si路lu和he方fang法fa

，以yi一yi種zhong固gu定ding吊diao點dian懸xuan臂bi式shi起qi重zhong機ji為wei例li，進jin行xing起qi重zhong機ji結jie構gou綜zong合he優you化hua設she計ji的de探tan討tao，保bao證zheng安an全quan係xi數shu不bu大da幅fu度du下xia降jiang的de前qian提ti下xia
，取qu得de一yi定ding的de優you化hua效xiao果guo。1 結構優化思路結構優化的目的是為了降低製造成本，提高產品性能

，增加產品可靠性
，這三個方麵目標是相互關聯
、相互製約的。起重機產品是一種用來搬運重物的機電產品
，受變化載荷作用

，部分產品還屬於法規監管的對象[7]
，因此，結構優化必須結合產品的具體使用需求、電控係統特性、工作空間要求、工作環境要求、受力特點、技術規範要求等因素綜合考慮。常規的優化思路可以從材料
、結構尺寸、結構形式等幾個方麵著手進行[6,8]。例如
，為了降低製造成本
，可采取減小板材厚度，減小截麵尺寸，降低材料等級等措施；為了提高產品性能，可采取提高結構剛度，提高材料等級
，提高電控係統等級等措施；weilezengjiachanpinkekaoxing，kecaiqujianxiaoyinglijizhong，zengjiashejiyuliangyijitigaocailiaodengjidengcuoshi。xianran，yinyonggaibianrenheyigeyinsudouhuiduisangeyouhuamubiaochanshengbutongshenzhixiangfandexiaoguo。youcikezhi
，qizhongjijiegouyouhuashiyizhongduomubiaoyouhua，bukenengtongshidadaogegemubiaodezuiyoujieguo，gongchengshijizhong
，youhuadoushigenjushijixuqiu
，shidangjiangdiyixiemubiaoyaoqiu，erqudadaozuixiwangdemude。2 結構優化設計主要依據結構優化的主要依據一般為安全技術規範（TSG）
、設計規範[9] hechanpinbiaozhun，ruguoshidingzhichanpin
，yeyaokaolvshuangfangqiandingdejishuxieyizhongdeteshutiaokuan。qizhongjianquanjishuguifanshiqiangzhiyaoqiu，shejiguifanhechanpinbiaozhunshituijianxingbiaozhun，danruguoshejiguifanhechanpinbiaozhunbeianquanjishuguifanyinyong，yechengweiqiangzhiyaoqiu，xiangyingdetiaokuanyaoqiujiushijiegouyouhuadeyueshutiaojianhezhijieyiju。qizhongjishejiguifanheanquanjishuguifanduiyucailiaodengji，mingqueyaoqiuzhuyaoshoulijiegoujiandecailiaodengjibudiyuQ235-B 和20# 鋼
，且不能使用沸騰鋼
，低溫使用環境對材料的衝擊韌性還有進一步要求。結構靜強度的許用應力值與載荷組合有關。載荷組合A 工況下，許用應力[σ]=σs/1.48；載荷組合B 工況下，許用應力[σ]=σs/1.34；載荷組合C 工況下
，許用應力[σ]=σs/1.16，σs 為材料屈服強度。結構疲勞強度的許用應力值[σrt] 與應力循環特性r 和基本值[σ-1] 有關
，具體公式參見設計規範[9]。結構剛性可分為軸心受力構件的剛性和起重機整機靜態剛性兩種要求。軸心受力的剛性用長細比λ 來表達
，受拉時許用長細比[λ]=150 ～ 180
，受壓時許用長細比[λ]=120 ～ 150。對於整機靜態剛性，不同類型起重機要求不同，以橋門式起重機為例
，用跨中下撓f 表達整機靜態剛度，其與定位精度和跨度S 有關，低定位精度時，推薦f ≤ S/500
，中等定位精度f ≤ S/750，高定位精度f ≤ S/1 000，懸臂端f ≤ L/350
，L 為有效懸臂[9]。結構穩定性
，分整體穩定性和局部穩定性兩大類要求，通常是優化後對結構的校核
，驗證是否滿足穩定性要求。3 優化設計方法舉例3.1 結構優化對象如圖1 所示

，一種特殊的懸臂起重機，葫蘆起升機構懸掛在懸臂兩個固定位置，額定起重量為2 t，最遠處懸臂長6 m
，整體為箱形結構，初次設計選用材料為12 mm 厚的Q345B 板材。圖1 固定吊點懸臂起重機3.2 結構優化方法1）結構優化流程如圖2 所suo示shi，優you化hua設she計ji前qian需xu要yao收shou集ji原yuan設she計ji資zi料liao，了le解jie產chan品pin使shi用yong要yao求qiu，然ran後hou對dui設she計ji進jin行xing初chu步bu的de分fen析xi，提ti出chu一yi些xie優you化hua改gai進jin的de方fang向xiang
，並bing針zhen對dui這zhe些xie改gai進jin方fang向xiang進jin行xing計ji算suan分fen析xi，對dui分fen析xi結jie果guo進jin行xing對dui比bi，結jie合he本ben次ci優you化hua的de優you先xian目mu的de，給gei出chu優you化hua的de方fang案an。組zu合he不bu同tong優you化hua方fang案an的de最zui終zhong設she計ji，必bi須xu根gen據ju優you化hua依yi據ju
，進jin行xing全quan方fang位wei的de校xiao核he計ji算suan。圖tu 2 綜合優化流程2）剛度、強度和穩定性分析圖1 zhonggudingdiaodianxuanbiqizhongjilizhuweiyawangoujian，xuanbiweishouwangoujian，lizhudechangxibiyuanxiaoyubiaozhunyaoqiu，kehulvegoujiangangxingyaoqiu。zhengjijingtaigangdushikaohediaodianchu（懸臂端部）的主梁下撓值，標準要求小於（1/250）·R，R 為有效半徑[10]。強度要求為保證結構在最不利工況下的最大應力值小於許用值。根據圖1 中懸臂起重機結構受力特點
，最大應力值在立柱基礎處和懸臂的根部（A-A 和B-B 截麵）

，標準要求此兩處的應力值要小於σs/1.34 MPa
；穩(wen)定(ding)性(xing)要(yao)求(qiu)分(fen)局(ju)部(bu)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)整(zheng)體(ti)穩(wen)定(ding)性(xing)兩(liang)方(fang)麵(mian)要(yao)求(qiu)。該(gai)懸(xuan)臂(bi)起(qi)重(zhong)機(ji)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)中(zhong)心(xin)線(xian)以(yi)下(xia)部(bu)分(fen)和(he)立(li)柱(zhu)中(zhong)心(xin)線(xian)內(nei)側(ce)部(bu)分(fen)屬(shu)於(yu)受(shou)壓(ya)區(qu)
，抗(kang)失(shi)穩(wen)的(de)措(cuo)施(shi)為(wei)設(she)置(zhi)加(jia)筋(jin)板(ban)。整(zheng)體(ti)穩(wen)定(ding)性(xing)對(dui)於(yu)箱(xiang)形(xing)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)規(gui)範(fan)規(gui)定(ding)梁(liang)的(de)高(gao)寬(kuan)比(bi)小(xiao)於(yu)3即滿足要求。3）結構形式、材料、尺(chi)寸(cun)分(fen)析(xi)原(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)的(de)加(jia)筋(jin)板(ban)與(yu)上(shang)蓋(gai)板(ban)焊(han)接(jie)，立(li)柱(zhu)中(zhong)加(jia)筋(jin)板(ban)與(yu)外(wai)側(ce)蓋(gai)板(ban)焊(han)接(jie)，經(jing)上(shang)文(wen)分(fen)析(xi)可(ke)知(zhi)
，對(dui)於(yu)懸(xuan)臂(bi)起(qi)重(zhong)機(ji)，懸(xuan)臂(bi)下(xia)蓋(gai)板(ban)和(he)立(li)柱(zhu)內(nei)側(ce)蓋(gai)板(ban)是(shi)受(shou)壓(ya)區(qu)，需(xu)要(yao)增(zeng)加(jia)穩(wen)定(ding)性(xing)。因(yin)此(ci)，立(li)柱(zhu)中(zhong)筋(jin)板(ban)應(ying)與(yu)內(nei)側(ce)蓋(gai)板(ban)焊(han)接(jie)，懸(xuan)臂(bi)中(zhong)筋(jin)板(ban)應(ying)與(yu)下(xia)蓋(gai)板(ban)焊(han)接(jie)。立(li)柱(zhu)和(he)懸(xuan)臂(bi)對(dui)基(ji)礎(chu)的(de)變(bian)形(xing)有(you)放(fang)大(da)作(zuo)用(yong)，立(li)柱(zhu)基(ji)礎(chu)變(bian)形(xing)對(dui)於(yu)吊(diao)點(dian)處(chu)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)的(de)下(xia)撓(nao)有(you)重(zhong)要(yao)影(ying)響(xiang)，盡(jin)可(ke)能(neng)加(jia)強(qiang)基(ji)礎(chu)的(de)剛(gang)性(xing)。懸(xuan)臂(bi)結(jie)構(gou)的(de)特(te)點(dian)是(shi)剛(gang)度(du)比(bi)較(jiao)差(cha)，剛(gang)度(du)通(tong)常(chang)是(shi)設(she)計(ji)的(de)控(kong)製(zhi)約(yue)束(shu)條(tiao)件(jian)，在(zai)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)允(yun)許(xu)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，增(zeng)加(jia)一(yi)斜(xie)拉(la)杆(gan)或(huo)壓(ya)杆(gan)，將(jiang)會(hui)明(ming)顯(xian)提(ti)高(gao)結(jie)構(gou)剛(gang)性(xing)。該(gai)懸(xuan)臂(bi)起(qi)重(zhong)機(ji)吊(diao)點(dian)是(shi)固(gu)定(ding)的(de)
，故(gu)在(zai)懸(xuan)臂(bi)上(shang)部(bu)或(huo)下(xia)部(bu)增(zeng)加(jia)杆(gan)件(jian)對(dui)運(yun)動(dong)沒(mei)有(you)幹(gan)涉(she)。在(zai)原(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)，整(zheng)機(ji)結(jie)構(gou)采(cai)用(yong)Q345B 材cai料liao製zhi作zuo。如ru上shang文wen分fen析xi，懸xuan臂bi起qi重zhong機ji的de剛gang性xing是shi主zhu要yao控kong製zhi條tiao件jian，而er高gao強qiang度du鋼gang材cai對dui剛gang度du沒mei有you更geng多duo的de益yi處chu，隻zhi是shi增zeng加jia成cheng本ben
，因yin此ci主zhu要yao受shou力li構gou件jian采cai用yongQ235B 即可。原設計中腹板12 mm hou，xiangxingliangshangxiagaibanzhuyaoqikangwanzuoyong，fubanzhuyaoqikangjianhezengjiahengxianggangduzuoyong。gaixuanbiqizhongjishouwanjuzuoyongda

，jianlixiangduijiaoxiao
，qiexuanbilianggudingbudong，meiyouhengxianglizuoyong，gukaolvfubanhoudujianxiaowei6 mm。3.3 優化設計計算根據上述分析，擬定了一些優化方案：1）懸臂根部局部加支撐
；2）增加斜撐；3）腹板厚度減小為6mm 並加增斜撐；4）腹板厚度減小為6 mm，腹板高度統一減小到小端並增加斜撐；5）懸臂采用Ⅰ 50b gongzigang。weilefenxigezhongyouhuafangandexiaoguojiyingxiang
，jinxingyixiajisuanfenxi。caiyongyouxianyuanfangfajisuan，gongkuangweizuibuligongkuang，jidiaodianzaixuanbizuiqianduanweizhi，qidiaoedingzaihe2 t；邊界條件：立柱基礎位置固定所有自由度
；單元Beam 188。計算結果如圖3 ～圖8 所示
，優化計算結果彙總於表1。圖 3 原設計圖 4 懸臂根部局部加支撐圖 5 加斜撐圖 6 腹板厚度減小為6mm+ 斜撐圖 7 腹板減小為6 mm，懸臂等截麵（小端）+ 斜撐圖 8 懸臂梁采用I50b 型鋼3.4 結構分析計算優化結論依據設計規範和產品標準的要求[9，10]，懸臂剛度f ≤ 17 ～ 24 mm，強度[σ ] ≤ 175 MPa。原設計剛度剛好滿足要求，強度還有較大富餘量。在各種優化措施中，加斜撐對剛度提高最顯著
；懸臂根部局部加強後，應力集中較明顯

，對剛度沒有益處
；腹板減薄後對強度和剛度影響很小；原設計采用變截麵設計不如采用斜撐方式有效和節省材料；對於此種固定式懸臂起重機
，采用工字鋼和斜撐的組合方式最為簡單有效。4 jielunjiegouyouhuashizonghexingwenti
，kegenjujingyantichuyixiegaijinheyouhuashexiang，bingtongguojisuanjinxingyanzheng，ruyoubiyao，haiyaojinxingmoxingheshiwuceshi。duijisuanheceshidejieguojinxingzonghefenxipingguhou，cainengxuandingzuiheshideyouhuafangan。cankaowenxian[1] 宋佳雄，鄭新梅 . 基於有限元法橋式起重機主梁應力分析及優化設計 [J]. 河北工業大學學報
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