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下載手機APP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，并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、結構形式和尺寸為優化方向，通過計算分析和綜合比較，最終確認比較合理的優化方案，可為工程中起重機結構優化設計提供有益的參考。關鍵詞：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 引言起重機是工業生產的基礎裝備，對經濟發展有舉足輕重的作用。常規起重機都是系列化產品，使用行業內通用圖紙，經過多年不斷改進已經較完善。而一些特殊的起重機，由于與常規起重機在結構、功能、受力方面有較大差異，限于設計人員水平以及工期要求，初次設計往往只考慮安全要求，對優化方面考慮較少，導致設計偏于保守，結構存在不合理之處。起重機結構優化的研究較多[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，若與許用值比有余量，則采取減小尺寸、板厚等措施。這是一種單方面的優化，雖然優化后結構減輕了，結構的安全系數也降低了[6]。本文將討論起重機多方向綜合優化的思路和方法，以一種固定吊點懸臂式起重機為例，進行起重機結構綜合優化設計的探討，保證安全系數不大幅度下降的前提下，取得一定的優化效果。1 結構優化思路結構優化的目的是為了降低制造成本，提高產品性能，增加產品可靠性，這三個方面目標是相互關聯、相互制約的。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，部分產品還屬于法規監管的對象[7]，因此，結構優化必須結合產品的具體使用需求、電控系統特性、工作空間要求、工作環境要求、受力特點、技術規范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、結構形式等幾個方面著手進行[6,8]。例如，為了降低制造成本，可采取減小板材厚度，減小截面尺寸，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，提高電控系統等級等措施；為了增加產品可靠性，可采取減小應力集中，增加設計余量以及提高材料等級等措施。顯然，引用改變任何一個因素都會對三個優化目標產生不同甚至相反的效果。由此可知，起重機結構優化是一種多目標優化，不可能同時達到各個目標的最優結果，工程實際中，優化都是根據實際需求，適當降低一些目標要求，而去達到最希望的目的。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范（TSG）、設計規范[9] 和產品標準，如果是定制產品，也要考慮雙方簽訂的技術協議中的特殊條款。起重機安全技術規范是強制要求，設計規范和產品標準是推薦性標準，但如果設計規范和產品標準被安全技術規范引用，也成為強制要求，相應的條款要求就是結構優化的約束條件和直接依據。起重機設計規范和安全技術規范對于材料等級，明確要求主要受力結構件的材料等級不低于Q235-B 和20# 鋼，且不能使用沸騰鋼，低溫使用環境對材料的沖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范[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。對于整機靜態剛性，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，通常是優化后對結構的校核，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 所示，優化設計前需要收集原設計資料，了解產品使用要求，然后對設計進行初步的分析，提出一些優化改進的方向，并針對這些改進方向進行計算分析，對分析結果進行對比，結合本次優化的優先目的，給出優化的方案。組合不同優化方案的最終設計，必須根據優化依據，進行全方位的校核計算。圖 2 綜合優化流程2）剛度、強度和穩定性分析圖1 中固定吊點懸臂起重機立柱為壓彎構件，懸臂為受彎構件，立柱的長細比遠小于標準要求，可忽略構件剛性要求。整機靜態剛度是考核吊點處（懸臂端部）的主梁下撓值，標準要求小于（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于許用值。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 截面），標準要求此兩處的應力值要小于σs/1.34 MPa；穩定性要求分局部穩定性和整體穩定性兩方面要求。該懸臂起重機懸臂梁中心線以下部分和立柱中心線內側部分屬于受壓區，抗失穩的措施為設置加筋板。整體穩定性對于箱形結構設計規范規定梁的高寬比小于3即滿足要求。3）結構形式、材料、尺寸分析原設計中懸臂梁的加筋板與上蓋板焊接，立柱中加筋板與外側蓋板焊接，經上文分析可知，對于懸臂起重機，懸臂下蓋板和立柱內側蓋板是受壓區，需要增加穩定性。因此，立柱中筋板應與內側蓋板焊接，懸臂中筋板應與下蓋板焊接。立柱和懸臂對基礎的變形有放大作用，立柱基礎變形對于吊點處懸臂梁的下撓有重要影響，盡可能加強基礎的剛性。懸臂結構的特點是剛度比較差，剛度通常是設計的控制約束條件，在使用環境允許的條件下，增加一斜拉桿或壓桿，將會明顯提高結構剛性。該懸臂起重機吊點是固定的，故在懸臂上部或下部增加桿件對運動沒有干涉。在原設計中，整機結構采用Q345B 材料制作。如上文分析，懸臂起重機的剛性是主要控制條件，而高強度鋼材對剛度沒有更多的益處，只是增加成本，因此主要受力構件采用Q235B 即可。原設計中腹板12 mm 厚，箱形梁上下蓋板主要起抗彎作用，腹板主要起抗剪和增加橫向剛度作用。該懸臂起重機受彎矩作用大，剪力相對較小，且懸臂梁固定不動，沒有橫向力作用，故考慮腹板厚度減小為6 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 并加增斜撐；4）腹板厚度減小為6 mm，腹板高度統一減小到小端并增加斜撐；5）懸臂采用Ⅰ 50b 工字鋼。為了分析各種優化方案的效果及影響，進行以下計算分析。采用有限元方法計算，工況為最不利工況，即吊點在懸臂最前端位置，起吊額定載荷2 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，優化計算結果匯總于表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，懸臂等截面（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范和產品標準的要求[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，強度還有較大富余量。在各種優化措施中，加斜撐對剛度提高最顯著；懸臂根部局部加強后，應力集中較明顯，對剛度沒有益處；腹板減薄后對強度和剛度影響很小；原設計采用變截面設計不如采用斜撐方式有效和節省材料；對于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 結論結構優化是綜合性問題，可根據經驗提出一些改進和優化設想，并通過計算進行驗證，如有必要，還要進行模型和實物測試。對計算和測試的結果進行綜合分析評估后，才能選定最合適的優化方案。參考文獻[1] 宋佳雄，鄭新梅 . 基于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，2019（1）：35-43.[2] 匡劉林，黃偉莉 . 基于Ansys 的橋式起重機橋架結構設計及優化 [J]. 現代機械，2019（5）：70-73.[3] 張楠，連香姣 . 塔式起重機臂架裝置的優化設計 [J]. 機械設計與制造，2019（9）：58-260，264.[4] 林偉華，鄧銳. 基于靈敏度的岸邊集裝箱起重機結構動態性能優化設計 [J]. 港口裝卸，2019（5）：10-13.[5] 董富祥，楊棋劍 . 起重機大車平衡梁優化設計 [J]. 中國特種設備安全，2018（10）：68-70.[6] 周超，李向東 . 起重機節能與失效的關系研究[J]. 建筑機械，2018(5)：47-49.[7] TSG Q7015-2016 起重機械定期檢驗規則 [S].[8] 翟紅彥 . 橋( 門 ) 式起重機輕量化設計因素分析 [J]. 內燃機與配件，2018（16）：44，45.[9] GB/T3811-2008 起重機設計規范 [S].[10] JB/T 8906-2014 懸臂起重機 [S].
0 引言起重機是工業生產的基礎裝備，對經濟發展有舉足輕重的作用。常規起重機都是系列化產品，使用行業內通用圖紙，經過多年不斷改進已經較完善。而一些特殊的起重機，由于與常規起重機在結構、功能、受力方面有較大差異，限于設計人員水平以及工期要求，初次設計往往只考慮安全要求，對優化方面考慮較少，導致設計偏于保守，結構存在不合理之處。起重機結構優化的研究較多[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，若與許用值比有余量，則采取減小尺寸、板厚等措施。這是一種單方面的優化，雖然優化后結構減輕了，結構的安全系數也降低了[6]。本文將討論起重機多方向綜合優化的思路和方法，以一種固定吊點懸臂式起重機為例，進行起重機結構綜合優化設計的探討，保證安全系數不大幅度下降的前提下，取得一定的優化效果。1 結構優化思路結構優化的目的是為了降低制造成本，提高產品性能，增加產品可靠性，這三個方面目標是相互關聯、相互制約的。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，部分產品還屬于法規監管的對象[7]，因此，結構優化必須結合產品的具體使用需求、電控系統特性、工作空間要求、工作環境要求、受力特點、技術規范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、結構形式等幾個方面著手進行[6,8]。例如，為了降低制造成本，可采取減小板材厚度，減小截面尺寸，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，提高電控系統等級等措施；為了增加產品可靠性，可采取減小應力集中，增加設計余量以及提高材料等級等措施。顯然，引用改變任何一個因素都會對三個優化目標產生不同甚至相反的效果。由此可知，起重機結構優化是一種多目標優化，不可能同時達到各個目標的最優結果，工程實際中，優化都是根據實際需求，適當降低一些目標要求，而去達到最希望的目的。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范（TSG）、設計規范[9] 和產品標準，如果是定制產品，也要考慮雙方簽訂的技術協議中的特殊條款。起重機安全技術規范是強制要求，設計規范和產品標準是推薦性標準，但如果設計規范和產品標準被安全技術規范引用，也成為強制要求，相應的條款要求就是結構優化的約束條件和直接依據。起重機設計規范和安全技術規范對于材料等級，明確要求主要受力結構件的材料等級不低于Q235-B 和20# 鋼，且不能使用沸騰鋼，低溫使用環境對材料的沖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范[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。對于整機靜態剛性，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，通常是優化后對結構的校核，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 所示，優化設計前需要收集原設計資料，了解產品使用要求，然后對設計進行初步的分析，提出一些優化改進的方向，并針對這些改進方向進行計算分析，對分析結果進行對比，結合本次優化的優先目的，給出優化的方案。組合不同優化方案的最終設計，必須根據優化依據，進行全方位的校核計算。圖 2 綜合優化流程2）剛度、強度和穩定性分析圖1 中固定吊點懸臂起重機立柱為壓彎構件，懸臂為受彎構件，立柱的長細比遠小于標準要求，可忽略構件剛性要求。整機靜態剛度是考核吊點處（懸臂端部）的主梁下撓值，標準要求小于（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于許用值。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 截面），標準要求此兩處的應力值要小于σs/1.34 MPa；穩定性要求分局部穩定性和整體穩定性兩方面要求。該懸臂起重機懸臂梁中心線以下部分和立柱中心線內側部分屬于受壓區，抗失穩的措施為設置加筋板。整體穩定性對于箱形結構設計規范規定梁的高寬比小于3即滿足要求。3）結構形式、材料、尺寸分析原設計中懸臂梁的加筋板與上蓋板焊接，立柱中加筋板與外側蓋板焊接，經上文分析可知，對于懸臂起重機，懸臂下蓋板和立柱內側蓋板是受壓區，需要增加穩定性。因此，立柱中筋板應與內側蓋板焊接，懸臂中筋板應與下蓋板焊接。立柱和懸臂對基礎的變形有放大作用，立柱基礎變形對于吊點處懸臂梁的下撓有重要影響，盡可能加強基礎的剛性。懸臂結構的特點是剛度比較差，剛度通常是設計的控制約束條件，在使用環境允許的條件下，增加一斜拉桿或壓桿，將會明顯提高結構剛性。該懸臂起重機吊點是固定的，故在懸臂上部或下部增加桿件對運動沒有干涉。在原設計中，整機結構采用Q345B 材料制作。如上文分析，懸臂起重機的剛性是主要控制條件，而高強度鋼材對剛度沒有更多的益處，只是增加成本，因此主要受力構件采用Q235B 即可。原設計中腹板12 mm 厚，箱形梁上下蓋板主要起抗彎作用，腹板主要起抗剪和增加橫向剛度作用。該懸臂起重機受彎矩作用大，剪力相對較小，且懸臂梁固定不動，沒有橫向力作用，故考慮腹板厚度減小為6 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 并加增斜撐；4）腹板厚度減小為6 mm，腹板高度統一減小到小端并增加斜撐；5）懸臂采用Ⅰ 50b 工字鋼。為了分析各種優化方案的效果及影響，進行以下計算分析。采用有限元方法計算，工況為最不利工況，即吊點在懸臂最前端位置，起吊額定載荷2 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，優化計算結果匯總于表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，懸臂等截面（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范和產品標準的要求[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，強度還有較大富余量。在各種優化措施中，加斜撐對剛度提高最顯著；懸臂根部局部加強后，應力集中較明顯，對剛度沒有益處；腹板減薄后對強度和剛度影響很小；原設計采用變截面設計不如采用斜撐方式有效和節省材料；對于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 結論結構優化是綜合性問題，可根據經驗提出一些改進和優化設想，并通過計算進行驗證，如有必要，還要進行模型和實物測試。對計算和測試的結果進行綜合分析評估后，才能選定最合適的優化方案。參考文獻[1] 宋佳雄，鄭新梅 . 基于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，2019（1）：35-43.[2] 匡劉林，黃偉莉 . 基于Ansys 的橋式起重機橋架結構設計及優化 [J]. 現代機械，2019（5）：70-73.[3] 張楠，連香姣 . 塔式起重機臂架裝置的優化設計 [J]. 機械設計與制造，2019（9）：58-260，264.[4] 林偉華，鄧銳. 基于靈敏度的岸邊集裝箱起重機結構動態性能優化設計 [J]. 港口裝卸，2019（5）：10-13.[5] 董富祥，楊棋劍 . 起重機大車平衡梁優化設計 [J]. 中國特種設備安全，2018（10）：68-70.[6] 周超，李向東 . 起重機節能與失效的關系研究[J]. 建筑機械，2018(5)：47-49.[7] TSG Q7015-2016 起重機械定期檢驗規則 [S].[8] 翟紅彥 . 橋( 門 ) 式起重機輕量化設計因素分析 [J]. 內燃機與配件，2018（16）：44，45.[9] GB/T3811-2008 起重機設計規范 [S].[10] JB/T 8906-2014 懸臂起重機 [S].
