基于多自由度的桥起吊具设计及有限元分析

叶永伟，叶连强，任设东，钱志勤

(浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310014)

基于多自由度的桥起吊具设计及有限元分析

叶永伟，叶连强，任设东，钱志勤

(浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310014)

针对实际作业中由于传统桥式起重机吊具的单一性导致无法实现多自由度吊装而降低工作效率的问题，提出了一种新型桥式起重机吊具设计方案。通过对比传统吊具结构，设计了多自由度吊具旋转机构，实现了多方位吊装；利用ANSYS软件建立有限元模型，对吊具进行动静态分析，静态分析保证了吊具的应力和挠度符合设计要求，动态分析保证了作业过程中避免发生共振现象。分析结果表明，该吊具符合设计和动态性能要求，为实际的生产设计提供了依据。

桥式起重机；吊具；多自由度；动静态分析

近年来，随着工业的发展，桥式起重机、岸边集装箱起重机等大型起重机械的设计水平在飞速提高,快速、高效越来越成为衡量起重机性能高低的重要指标。因此，如何提高起重机的工作效率已成为设计人员普遍关注的问题[1]。

吊具是起重机的重要承载构件，也是最广泛使用的取物装置，其性能直接影响到起重机作业的整体性能。传统吊具设计只把安全性作为最重要的因素，其他的重要因素考虑不足，因此在实际作业中，其单一性大大降低了吊装的工作效率。在现代生产设计环境中，把安全性作为最重要的因素是远远不够的，还有其他很多因素需要考虑，比如吊具的灵活性、多功能性和工作效率。如何在保证安全性的前提下提高整机的工作效率，适应多样的作业环境，这就需要一种新型的吊具结构设计[2-3]。本文设计了一种多自由度旋转结构的新型吊具，并通过对吊具进行静力学特性分析，获得应力挠度云图，研究其变形和应力分布；然后再对吊具进行动态特性分析，包括模态分析和谐响应分析，确定现有结构固有频率和发生共振的危险频率，为实际的生产设计提供依据。

1 吊具设计

1.1吊具的比较

a.传统电磁吊具。

传统的电磁吊具，在搬运重物时只能实现在平面内同一方向平移(如前后方向或左右方向)，吊具在平面内无法实现某一角度的旋转。其结构简图如图1所示。

1—电磁吊梁;2—电磁铁;3—筋板;4—吊钩悬挂结构

在实际车间或仓库作业中，往往货物的体积、质量相对都比较大，而且不一定按规律的顺序和方向整齐摆放，因此这就要求吊具种类的多样性。当起重机吊运货物时首先需要考虑安全性，把握好货物重心对单一功能吊具尤为重要，当重物摆放有一定的要求时(如旋转90°或某一角度)，单一的传统吊具作业则需要更多的作业人员，同时效率也不高。

b.新型电磁吊具。

新型电磁吊具上端是平衡梁，它与起重机吊钩固定连接，下端电磁吊梁通过轴连接，可进行旋转，相对于平衡梁形成任意角度。在车间或仓库中，任意处重物都能方便起吊运送。新型电磁吊具结构简图如图2 所示。

1.2吊具整体结构设计

1.2.1吊具整体结构

在车间或仓库中，桥式起重机吊具未作业状态下的整体示意图如图3所示，在小车运行机构上有两个吊钩，直接与吊具相连，形成固定连接。

1—电磁吊梁;2—电磁铁;3—定位装置;4—角度器;5—平衡梁;6—传动轴;7—传动齿轮;8—吊钩悬挂结构

1—大车运行机构;2—司机室;3—桥架;4—吊具;5—小车运行机构

新型电磁吊具梁整体结构如图4所示。

1—吊梁;2—电磁铁;3—定位装置;4—角度器;5—平衡梁;6—转动轴;7—大齿轮;8—吊钩悬挂结构;9—焊钩;10—电机;11—减速器;12—小齿轮

电磁吊具主要是由平衡梁、多自由度旋转机构、吊梁和电磁铁4部分组成，其他还包括定位装置、角度器和电磁铁挂钩等。其中，平衡梁用于直接与起重机吊钩相连；多自由度旋转机构用于转动吊梁，在平面内形成一定角度；定位装置用于吊梁归位；角度器用于观察角度；电磁铁用于吊重。

左视图(图4(b))为电磁吊梁的剖视图，悬挂电磁铁的固定结构焊接在吊梁两侧，共5组，焊接处有筋板，用于加强吊梁的抗弯强度。

俯视图(图4(c))为平衡梁固定、吊梁旋转90°后的视图，吊梁旋转通过齿轮传动实现，电机连接减速器和联轴器，利用键与小齿轮连接，小齿轮带动大齿轮，大齿轮与转动轴连接，而电机和减速器都固定在平衡梁上。

1.2.2吊具多自由度旋转机构设计

多自由度旋转机构结构图如图5所示，机构主要由电机、减速器、联轴器、轴和齿轮组成。旋转机构的多自由度主要是依靠大小齿轮的传动实现，因此在吊具作业中旋转机构的稳定性是至关重要的，其中齿轮之间的啮合就是关键因素之一。吊具吊重过程中很有可能出现倾斜，由于力的作用，引起传动轴发生一定角度(通常角度很小)的倾斜弯曲，从而影响齿轮之间的啮合，使设备寿命大大缩短，甚至造成齿轮传动机构直接报废。为保证其稳定性，做出以下设计改进：(1)加强轴的强度和刚度；(2)利用零件1圆柱滚子轴承保证轴的垂直度，利用零件2调心滚子轴承保证轴在出现小偏移时能及时矫正；(3)零件5减速器底座保证两齿轮传动轴的平行度。

1—圆柱滚子轴承;2—调心滚子轴承;3—轴;4—键;5—减速器底座;6—电机;7—减速器;8—联轴器;9—大齿轮;10—小齿轮;11—轴端挡圈;12—螺栓;13—止动垫圈

吊具的旋转是在水平方向回转，角度范围为0°～360°，通常使用范围在0°～90°，起始位置在定位装置处，如图4所示。司机可通过操作手柄对回转运动进行独立操作。司机室内设有按钮开关，可将吊具位置自动恢复到初始零位置。PLC跟踪技术的应用使本机构具有自动记忆吊具位置的功能，司机在作业时可以随意调用先前作业所处的位置。作业旋转的角度不仅能在司机室内显示，而且也能在吊梁上的角度器上显示，一目了然。

吊具作业的顺序有两种。顺序一:先起吊重物并把重物移动到指定位置，再把重物旋转到要求角度放下重物。顺序二:吊具先旋转至一定角度，接着吊起重物，移动到指定位置，再一次旋转吊具，最后放下重物。吊具的作业顺序可根据作业环境要求具体操作。当吊具处于非作业状态时，在现有的工作车间，可以通过吊具旋转合理地摆放。

2 吊具有限元分析

本文采用大型有限元结构分析软件ANSYS对国内某桥式起重机所使用吊具(材料Q235-B钢板，工作级别A4)进行动静态分析[4-6]。有限元分析流程如图6所示。

2.1吊梁主要性能参数

a.材料物理参数。

材料为Q235-B，在常温下的屈服极限为235MPa，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比取0.3，密度为7 800kg/m3。

图6 吊具有限元分析流程图

b.载荷工况。

根据该起重机的运行状况，主要分析吊具的变形及吊梁与旋转轴连接处的应力。起重机吊具在作业时，起吊重物的重心位置非常关键，当吊重重心在吊梁中心处时，吊重不会发生倾斜；当吊重重心不在吊梁中心处时，吊重将发生一定角度的倾斜，致使齿轮传动受到影响，吊梁的变形也发生变化。

c.边界条件。

将整个吊具简化后作为研究对象，包括平衡梁、转动轴和吊梁，在平衡梁上表面左右两侧施加固定约束,UX=0,UY=0,UZ=0,ROTX=0,ROTY=0,ROTZ=0，在加强筋处施加集中力载荷和吊梁自重载荷G。

2.2吊具建模与有限元网格划分

吊具主要是由钢板焊接而成，由于钢板的厚度要比其长度和宽度远小得多，因此在有限元建模过程中选用壳单元shell63[7-8]。吊具共划分了12 659个单元，4 189个节点，有限元网格如图7所示。

图7 吊具网格图

3 吊具动静态分析结果

3.1吊具静态分析

静力分析是工程设计人员经常使用的一种分析手段，它主要是计算固定的载荷在结构上所引起的应力和应变等。对起重机吊具结构进行静力学分析，主要是计算分析其结构的静强度和静刚度，使其最大静应力和静位移符合工作要求的强度和刚度。

对于线性静态分析问题，结构的有限元平衡方程可以表示为：

[K]{X}={F}

(1)

式中：[K]为系统的整体刚度矩阵；{X}为各节点位移列阵；{F}为载荷列阵。

根据起重机设计规范，吊具在作业时其垂直静刚度要小于等于许用值，起重机许用静刚度见表1，通过计算可得跨中许用静刚度[yL]z=15.5mm；跨端许用静刚度[yL]d=35.4mm。在吊具作业过程中，主要的承载来自Y方向上的力，位移大，而来自其他方向上的力相对较小，位移也较小。从图8吊具位移云图中可以得到，位移总的静刚度为3.489mm，小于许用静刚度，主要位于吊具的两端。最大静刚度小于许用值，说明此工况下，吊具满足静态刚度要求。

表1 起重机许用静刚度

图8 吊具位移云图

根据起重机设计规范及静强度设计准则，应力计算公式为：

(2)

式中：σ1，σ2，σ3为3个方向的主应力;[σ]为材料的许用应力。

吊梁采用Q235-B钢板焊接而成，额定起重量为10t，材料的极限强度值σmax=235MPa，为保证安全性，查表并考虑取安全系数n=1.5，则许用应力[σ]=σmax/n=157MPa。从图9吊具应力云图中可以得到，吊具的最大应力为148.67 MPa，小于许用应力[σ]。从图中还可以看出，吊具只在旋转机构连接处存在应力集中现象，但应力集中处应力值小于许用应力，而在旋转机构连接处外其他处的最大应力都远小于许用值，表明吊具结构有较好的稳定性。因此，吊具强度满足应力设计要求。

图9 吊具应力云图

3.2吊具动态分析

3.2.1吊具模态分析

模态分析，也叫特征值的提取，用以求解多自由度系统自由振动的固有频率和相应振型。 桥式起重机吊具都有固有振动频率，模态分析的目的就是寻求结构的固有频率和主振型，从而了解结构的振动特性，设计时避开工作时外激振力的频率，以免结构共振发生重大机械事故。典型无阻尼模态分析求解的基本方程为：

(3)

式中：{Φi}为第i阶模态的振型矢量(特征矢量)；Wi为第i阶模态的固有频率(特征值)；[M]为质量矩阵。

模态分析结束后，提取吊具结构前10阶的固有频率，见表2。

前10阶固有频率对应的固有振型如图10所示：

表2 桥式起重机吊具前10阶固有频率

图10 第1至10阶固有振型

从表2可以看到，吊具前3阶固有频率较小，4到10阶固有频率逐渐增大。起重机设计手册[9]中规定，桥式起重机主梁沿小车轨道方向的振动频率需要在1Hz以上，而小车在跨中的垂直方向满载的频率需要控制在2Hz～4Hz之间。对照表2，桥式起重机在作业时可能在第2阶或第3阶出现共振现象。

从图10中可以看出，多数情况都反映了吊具纵向水平振动，此振动可能是由于工作时小车启、制动等方面的原因而引起的激励起振。

3.2.2吊具谐响应分析

谐响应分析主要用于分析持续的周期载荷在结构中产生的持续周期响应。为了使桥式起重机吊具在工作时避免因共振响应而引发工程事故，同时也为了确定各阶频率对结构的影响情况，需对吊具进行谐响应分析。结构谐响应分析的通用方程如下：

(4)

式中：[C]为阻尼矩阵； {u}为时间的函数。

对吊具结构进行谐响应分析时，设定 0～50Hz的响应范围。 图11中 UY-1 为吊具端部位置节点垂直位移响应曲线，UY-2为吊具跨中位置节点垂直位移的响应情况。从图中可知，在不同激励作用下，位移响应出现2个波峰，最大的峰值出现在25.1Hz附近，其次峰值出现在7.3Hz附近。桥式起重机小车在跨中的垂直方向满载的频率控制在2Hz～4Hz之间，因此，吊具在起重机作业时发生共振现象的概率将会变得非常小。

图11 吊具结构谐响应分析图

4 结束语

本文提出一种新型桥起吊具，该吊具增加了多自由度设计，其旋转机构克服了传统吊具只能平动的缺点，使吊具拥有了灵动性，更能适应环境，提高了作业效率。通过ANSYS软件对吊具结构进行静力学分析表明，应力和挠度满足设计要求，而在转动连接处存在应力集中，但最大应力小于许用应力，满足设计要求。对吊具结构的动态分析结果表明，在桥式起重机作业过程中，吊具的结构设计避免了共振现象的发生。新的设计为吊具增加了新的形式，对企业而言，具有重要的工程实际意义。

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Thedesignofbridgecranespreaderbasedonthemultidegreeoffreedomfiniteelementanalysis

YE Yongwei, YE Lianqiang, REN Shedong, QIAN Zhiqin

(Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou, 310014, China)

In view of the bridge crane in the practical operation, the traditional crane spreader can′t achieve much freedom lifting and reduce the efficiency. This paper proposes a new type of bridge crane spreader design scheme. Comparing traditional spreader structure, it designs a multi degree of freedom the rotation mechanism, the spreader implements multiple hoisting. It establishes the finite element model based on ANSYS software, analyzes dynamic and static characteristics of the spreader. The static analysis ensures the spreader of stress and deflection according to the design requirements, and dynamic analysis ensures the operation in the process of avoiding resonance phenomenon. The results show that the spreader conforms to the requirements of the design and the dynamic performance, provide the practical design proof.

bridge Crane; spreader; multi-DOF; dynamic and static analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.007

2014-12-03

叶永伟(1964—)，男，浙江义乌人，浙江工业大学副教授、硕士生导师，主要研究方向为制造业信息化关键技术研究、数字化设计与研究。

TH215

A

2095-509X(2014)12-0028-06