劉慧星，徐偉軍，王玉金，劉 輝

（河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400）

0 引言

起重機(jī)是我國(guó)重型機(jī)械裝備制造行業(yè)的重要組成部分，是我國(guó)重大工程項(xiàng)目建設(shè)不可或缺的設(shè)備［1］，對(duì)我國(guó)重型工業(yè)的發(fā)展起著重要作用。橋式起重機(jī)是起重機(jī)中較為常見(jiàn)的一種，具有結(jié)構(gòu)形式相對(duì)穩(wěn)定、各部件中通用件和相似件占比例較大的特性，便于應(yīng)用模塊化、參數(shù)化思想。文獻(xiàn)［2］將產(chǎn)品配置的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，用產(chǎn)品配置的方法可以對(duì)起升機(jī)構(gòu)中的外購(gòu)件和部分零部件進(jìn)行智能選取，適用于高標(biāo)準(zhǔn)化、高模塊化、結(jié)構(gòu)單一固定的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、易操作性。文獻(xiàn)［3］以模塊化思想和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法為核心，以Visual C＋＋為開發(fā)工具，以MATLAB為優(yōu)化工具，結(jié)合常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算和優(yōu)化分析，開發(fā)了塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。研究了系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換、處理與重用，大大提高了設(shè)計(jì)效率、縮短了設(shè)計(jì)周期。文獻(xiàn)［4］應(yīng)用了模塊化參數(shù)化思想、裝配草圖技術(shù)、工程圖調(diào)優(yōu)技術(shù)，以大規(guī)模定制為指導(dǎo)思想，以Visual Basic 6.0 為開 發(fā) 語(yǔ) 言，SolidWorks為開 發(fā) 平臺(tái)，研究并開發(fā)了門式起重機(jī)模塊化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提高了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

本文結(jié)合橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算知識(shí)，建立了起升機(jī)構(gòu)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)模塊，并經(jīng)過(guò)ANSYS有限元軟件校核分析確定最終參數(shù)，達(dá)到了起升機(jī)構(gòu)零部件高效參數(shù)化建模的目的。

1 起升機(jī)構(gòu)的組成和主要設(shè)計(jì)部件

起升機(jī)構(gòu)主要包括鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、安全保護(hù)裝置和取物裝置等。其中，鋼絲繩卷繞系統(tǒng)又包括卷筒、鋼絲繩、滑輪或滑輪組；驅(qū)動(dòng)裝置中包括電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器和聯(lián)軸器等；安全保護(hù)裝置中包括超負(fù)荷限制器、起升高度限位器等；取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、抓斗等多種形式［5］。典型起升機(jī)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 起升機(jī)構(gòu)平面布置簡(jiǎn)圖

1.1 鋼絲繩的設(shè)計(jì)計(jì)算

鋼絲繩的選擇分為結(jié)構(gòu)形式的選擇和繩直徑的確定。通常鋼絲繩應(yīng)優(yōu)先選用線接觸鋼絲繩，鍍鋅鋼絲繩多用于腐蝕環(huán)境中。為保證起升機(jī)構(gòu)的正常工作，選擇的鋼絲繩應(yīng)滿足一定的性能和強(qiáng)度要求。結(jié)合鋼絲繩的實(shí)際使用條件和要求，再參照國(guó)產(chǎn)部分鋼絲繩主要技術(shù)性能表確定其結(jié)構(gòu)形式。鋼絲繩的直徑可以根據(jù)以下3種方法確定：按選擇系數(shù)確定鋼絲繩直徑；按安全系數(shù)n選擇鋼絲繩直徑；采用估算法確定鋼絲繩直徑。

1.2 滑輪的計(jì)算

在起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)中，滑輪用于支撐鋼絲繩，并改變其走向，平衡各分支的拉力，其組成的滑輪組可以達(dá)到省力或增速的目的?；喌闹饕叽缬谢喼睆健⑤嗇瀸挾群屠K槽尺寸。其中對(duì)鋼絲繩使用壽命影響最大的是滑輪直徑，直徑越大鋼絲繩的擠壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力越小。起重機(jī)滑輪都屬于鑄造結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸已標(biāo)準(zhǔn)化，使用時(shí)可查閱相關(guān)手冊(cè)?；喗M的主要參數(shù)有倍率和效率?；喗M倍率的選定對(duì)于起升機(jī)構(gòu)整體尺寸影響較大，倍率越大，除滑輪組本身變大外其余起升機(jī)構(gòu)部件尺寸均變小，同時(shí)效率降低，鋼絲繩磨損加快。

1.3 卷筒的設(shè)計(jì)

卷筒的作用是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹匚锏闹本€升降運(yùn)動(dòng)，使用時(shí)將鋼絲繩纏繞于卷筒螺旋狀的繩槽內(nèi)，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般會(huì)忽略鋼絲繩的自重。在設(shè)計(jì)起升高度很大的起重機(jī)卷筒時(shí)，為了避免起升過(guò)程中卷筒力矩的變化過(guò)大，將卷筒設(shè)計(jì)為圓錐形，并將鋼絲繩自重計(jì)算在內(nèi)。將鋼絲繩的固定端固定在卷筒上時(shí)，需保證固定端的安全性及方便檢查和更換。一般情況下，單層鋼絲繩使用壓板固定，多層鋼絲繩使用楔塊固定或板條固定。鋼絲繩固定及壓板已標(biāo)準(zhǔn)化，相關(guān)參數(shù)可查看手冊(cè)選用。

卷筒需要設(shè)計(jì)的參數(shù)主要有直徑、長(zhǎng)度和壁厚及卷筒強(qiáng)度。鋼絲繩繞進(jìn)或繞出卷筒時(shí)，應(yīng)使鋼絲繩偏離螺旋槽兩側(cè)的角度不大于3.5°。為避免亂繩，光繞卷筒和多層繞卷筒的鋼絲繩與卷筒軸的垂直平面的偏角應(yīng)不大于2°。為避免槽口損壞和鋼絲繩脫槽，布置卷繞系統(tǒng)時(shí)，鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽的最大偏角應(yīng)不大于5°。

1.4 電動(dòng)機(jī)、減速器和制動(dòng)器的選擇

起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)通常情況下選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，應(yīng)先根據(jù)起升載荷、起升速度、滑輪組效率、卷筒效率、傳動(dòng)效率計(jì)算出其靜功率，再將靜功率乘以穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)，從而算出穩(wěn)態(tài)平均功率，然后按穩(wěn)態(tài)平均功率值選擇接電持續(xù)率值和CZ（慣量增加率與折合的每小時(shí)全啟動(dòng)次數(shù)的乘積）值相吻合的功率。

減速器基本已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。在設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)傳動(dòng)方案確定傳動(dòng)比分配，再確定實(shí)際傳動(dòng)比。參數(shù)確定后只需從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中選用相應(yīng)型號(hào)的減速器即可。除此外，選用時(shí)還要考慮起重機(jī)的工作級(jí)別和許用功率、電動(dòng)機(jī)額定功率等因素。鑒于在機(jī)構(gòu)作用時(shí)減速器輸出軸及其軸端會(huì)承受較大扭矩和徑向力，故需要對(duì)其軸端最大扭矩和最大徑向力分別進(jìn)行校驗(yàn)。

制動(dòng)裝置用來(lái)防止起吊重物下落，限制或調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度。由于橋式起重機(jī)的特殊工作性質(zhì)，要求起升機(jī)構(gòu)中至少安裝一個(gè)制動(dòng)器。若起吊重物為液態(tài)金屬，則要求起升機(jī)構(gòu)每套驅(qū)動(dòng)裝置中安裝兩個(gè)或兩個(gè)以上制動(dòng)器。

2 軟件開發(fā)

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置按照“總裝－部件－子部件”的順序進(jìn)行。首先確定起重機(jī)整機(jī)的基本參數(shù)，隨后可以選擇相應(yīng)部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以卷筒為例，得出卷筒模型的尺寸后，再經(jīng)過(guò)ANSYS進(jìn)行有限元校核，將卷筒最終尺寸通過(guò)程序在三維軟件中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，得到最新卷筒模型。卷筒的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 卷筒的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圖

圖3為橋式起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面，進(jìn)入橋式起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，選擇“基本參數(shù)設(shè)置”界面，如圖4所示，對(duì)起重量Q、跨度L、起升高度H、起升速度V、工作級(jí)別和大小車運(yùn)行速度等主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊確定返回到系統(tǒng)主界面。

圖3 橋式起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面

圖4 基本參數(shù)設(shè)置界面

從系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)入起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算界面，根據(jù)設(shè)計(jì)需要點(diǎn)擊起升機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部件進(jìn)入其界面進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算或選型。圖5為卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算界面。

圖5 卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算界面

根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算出的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，建立卷筒組各零部件的三維參數(shù)化模型，根據(jù)裝配草圖對(duì)零部件進(jìn)行定位。通過(guò)添加適當(dāng)?shù)姆匠淌絹?lái)約束尺寸變量之間的關(guān)系，當(dāng)草圖發(fā)生變化時(shí)零部件跟隨草圖發(fā)生位置或尺寸變化，從而實(shí)現(xiàn)裝配草圖對(duì)零部件的驅(qū)動(dòng)控制［6，7］。

卷筒作為起升機(jī)構(gòu)中主要的受力部件，其設(shè)計(jì)時(shí)需要保證一定的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。通常需要先粗略地計(jì)算出卷筒直徑D、長(zhǎng)度L 和壁厚δ，根據(jù)卷筒長(zhǎng)度與直徑的關(guān)系（即L＞3D 或L≤3D）確定強(qiáng)度計(jì)算方式計(jì)算出卷筒強(qiáng)度，并根據(jù)以上參數(shù)對(duì)卷筒進(jìn)行有限元分析，確定參數(shù)值的準(zhǔn)確合理性，再將最后的輸出參數(shù)導(dǎo)入?yún)?shù)化變型子系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，更新三維模型。

3 卷筒ANSYS有限元分析

采用ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，其分析結(jié)果受模型、約束條件、計(jì)算條件等的影響較大。建立有限元模型的基本原則是既要能如實(shí)體現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，又要盡量簡(jiǎn)化產(chǎn)品模型以降低計(jì)算成本［8，9］。

起升機(jī)構(gòu)卷筒一般都是焊接薄壁結(jié)構(gòu)，針對(duì)卷筒的特性對(duì)其有限元模型做如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：卷筒上的繩槽簡(jiǎn)化為封閉圓環(huán)，卷筒形狀視為規(guī)則封閉圓柱薄殼，材料各向同性；繩的拉力為常數(shù)，且壓力均勻分布在卷筒上；鋼絲繩對(duì)卷筒端側(cè)板的推力處理為均布載荷。

在卷筒參數(shù)設(shè)置界面點(diǎn)擊“有限元分析”后，經(jīng)ANSYS軟件求解計(jì)算，得到卷筒變形圖（見(jiàn)圖6）和卷筒應(yīng)力等值線圖。

圖6 卷筒變形圖

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)軟件已在某噸位橋式起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中成功運(yùn)用，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證該設(shè)計(jì)系統(tǒng)大大提高了橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 林夫奎，趙霞，王欣.我國(guó)起重機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀分析［J］.機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2011（8）：11－14.

［2］ 羅臣強(qiáng)，仲梁維，朱娟.基于配置技術(shù)的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21（2）：18－21.

［3］ 陳云，張曉鐘，羅丹.基于Visual C＋＋的起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（4）：236－238.

［4］ 張偉強(qiáng)，王宗彥，吳淑芳，等.門式起重機(jī)模塊化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（3）：188－189.

［5］ 嚴(yán)大考，鄭蘭霞.起重機(jī)械［M］.鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2003.

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［7］ 劉堅(jiān)，劉子建.基于特征技術(shù)的軸類零件CAD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，27（5）：44－48.

［8］ 何風(fēng)梅，趙燦.纏繞式提升機(jī)卷筒強(qiáng)度的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.礦山機(jī)械，2003（11）：42－44.

［9］ 吳衛(wèi)國(guó)，楊平，王發(fā)祥.大型升船機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，13（3）：268－271.