桥式起重机起升机构设计系统的开发与应用

刘慧星，徐伟军，王玉金，刘 辉

（河南卫华重型机械股份有限公司，河南 新乡 453400）

0 引言

起重机是我国重型机械装备制造行业的重要组成部分，是我国重大工程项目建设不可或缺的设备［1］，对我国重型工业的发展起着重要作用。桥式起重机是起重机中较为常见的一种，具有结构形式相对稳定、各部件中通用件和相似件占比例较大的特性，便于应用模块化、参数化思想。文献［2］将产品配置的参数化设计方法应用于起重机起升机构的快速设计系统中，用产品配置的方法可以对起升机构中的外购件和部分零部件进行智能选取，适用于高标准化、高模块化、结构单一固定的起重机起升机构，保证了系统的准确性、易操作性。文献［3］以模块化思想和面向对象的程序设计方法为核心，以Visual C＋＋为开发工具，以MATLAB为优化工具，结合常规设计计算和优化分析，开发了塔式起重机起升机构设计系统。研究了系统中的数据存储、交换、处理与重用，大大提高了设计效率、缩短了设计周期。文献［4］应用了模块化参数化思想、装配草图技术、工程图调优技术，以大规模定制为指导思想，以Visual Basic 6.0 为开 发 语 言，SolidWorks为开 发 平台，研究并开发了门式起重机模块化快速设计系统，提高了新产品的设计效率和质量。

本文结合桥式起重机起升机构的设计计算知识，建立了起升机构参数化驱动模块，并经过ANSYS有限元软件校核分析确定最终参数，达到了起升机构零部件高效参数化建模的目的。

1 起升机构的组成和主要设计部件

起升机构主要包括钢丝绳卷绕系统、驱动装置、安全保护装置和取物装置等。其中，钢丝绳卷绕系统又包括卷筒、钢丝绳、滑轮或滑轮组；驱动装置中包括电动机、减速器、制动器和联轴器等；安全保护装置中包括超负荷限制器、起升高度限位器等；取物装置有吊钩、吊环、抓斗等多种形式［5］。典型起升机构平面布置如图1所示。

图1 起升机构平面布置简图

1.1 钢丝绳的设计计算

钢丝绳的选择分为结构形式的选择和绳直径的确定。通常钢丝绳应优先选用线接触钢丝绳，镀锌钢丝绳多用于腐蚀环境中。为保证起升机构的正常工作，选择的钢丝绳应满足一定的性能和强度要求。结合钢丝绳的实际使用条件和要求，再参照国产部分钢丝绳主要技术性能表确定其结构形式。钢丝绳的直径可以根据以下3种方法确定：按选择系数确定钢丝绳直径；按安全系数n选择钢丝绳直径；采用估算法确定钢丝绳直径。

1.2 滑轮的计算

在起重机的起升机构中，滑轮用于支撑钢丝绳，并改变其走向，平衡各分支的拉力，其组成的滑轮组可以达到省力或增速的目的。滑轮的主要尺寸有滑轮直径、轮毂宽度和绳槽尺寸。其中对钢丝绳使用寿命影响最大的是滑轮直径，直径越大钢丝绳的挤压应力和弯曲应力越小。起重机滑轮都属于铸造结构，其结构尺寸已标准化，使用时可查阅相关手册。滑轮组的主要参数有倍率和效率。滑轮组倍率的选定对于起升机构整体尺寸影响较大，倍率越大，除滑轮组本身变大外其余起升机构部件尺寸均变小，同时效率降低，钢丝绳磨损加快。

1.3 卷筒的设计

卷筒的作用是将电动机的旋转运动转变为重物的直线升降运动，使用时将钢丝绳缠绕于卷筒螺旋状的绳槽内，设计计算时一般会忽略钢丝绳的自重。在设计起升高度很大的起重机卷筒时，为了避免起升过程中卷筒力矩的变化过大，将卷筒设计为圆锥形，并将钢丝绳自重计算在内。将钢丝绳的固定端固定在卷筒上时，需保证固定端的安全性及方便检查和更换。一般情况下，单层钢丝绳使用压板固定，多层钢丝绳使用楔块固定或板条固定。钢丝绳固定及压板已标准化，相关参数可查看手册选用。

卷筒需要设计的参数主要有直径、长度和壁厚及卷筒强度。钢丝绳绕进或绕出卷筒时，应使钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度不大于3.5°。为避免乱绳，光绕卷筒和多层绕卷筒的钢丝绳与卷筒轴的垂直平面的偏角应不大于2°。为避免槽口损坏和钢丝绳脱槽，布置卷绕系统时，钢丝绳绕进或绕出滑轮槽的最大偏角应不大于5°。

1.4 电动机、减速器和制动器的选择

起重机起升机构通常情况下选用绕线型异步电动机，在计算电动机功率时，应先根据起升载荷、起升速度、滑轮组效率、卷筒效率、传动效率计算出其静功率，再将静功率乘以稳态负载平均系数，从而算出稳态平均功率，然后按稳态平均功率值选择接电持续率值和CZ（惯量增加率与折合的每小时全启动次数的乘积）值相吻合的功率。

减速器基本已经标准化。在设计时首先根据传动方案确定传动比分配，再确定实际传动比。参数确定后只需从标准库中选用相应型号的减速器即可。除此外，选用时还要考虑起重机的工作级别和许用功率、电动机额定功率等因素。鉴于在机构作用时减速器输出轴及其轴端会承受较大扭矩和径向力，故需要对其轴端最大扭矩和最大径向力分别进行校验。

制动装置用来防止起吊重物下落，限制或调节机构的运动速度。由于桥式起重机的特殊工作性质，要求起升机构中至少安装一个制动器。若起吊重物为液态金属，则要求起升机构每套驱动装置中安装两个或两个以上制动器。

2 软件开发

系统参数设置按照“总装－部件－子部件”的顺序进行。首先确定起重机整机的基本参数，随后可以选择相应部件进行参数设置，以卷筒为例，得出卷筒模型的尺寸后，再经过ANSYS进行有限元校核，将卷筒最终尺寸通过程序在三维软件中进行驱动，得到最新卷筒模型。卷筒的参数化设计流程如图2所示。

图2 卷筒的参数化设计流程图

图3为桥式起重机参数化设计系统主界面，进入桥式起重机参数化设计系统，选择“基本参数设置”界面，如图4所示，对起重量Q、跨度L、起升高度H、起升速度V、工作级别和大小车运行速度等主要参数进行设置。设置完成后，点击确定返回到系统主界面。

图3 桥式起重机参数化设计系统主界面

图4 基本参数设置界面

从系统主界面点击起升机构设计计算，进入起升机构设计计算界面，根据设计需要点击起升机构的相应部件进入其界面进行设计计算或选型。图5为卷筒设计计算界面。

图5 卷筒设计计算界面

根据系统计算出的设计数据，建立卷筒组各零部件的三维参数化模型，根据装配草图对零部件进行定位。通过添加适当的方程式来约束尺寸变量之间的关系，当草图发生变化时零部件跟随草图发生位置或尺寸变化，从而实现装配草图对零部件的驱动控制［6，7］。

卷筒作为起升机构中主要的受力部件，其设计时需要保证一定的静强度和疲劳强度。通常需要先粗略地计算出卷筒直径D、长度L 和壁厚δ，根据卷筒长度与直径的关系（即L＞3D 或L≤3D）确定强度计算方式计算出卷筒强度，并根据以上参数对卷筒进行有限元分析，确定参数值的准确合理性，再将最后的输出参数导入参数化变型子系统中进行参数化驱动，更新三维模型。

3 卷筒ANSYS有限元分析

采用ANSYS进行有限元分析时，其分析结果受模型、约束条件、计算条件等的影响较大。建立有限元模型的基本原则是既要能如实体现产品结构的力学特性，又要尽量简化产品模型以降低计算成本［8，9］。

起升机构卷筒一般都是焊接薄壁结构，针对卷筒的特性对其有限元模型做如下简化和假设：卷筒上的绳槽简化为封闭圆环，卷筒形状视为规则封闭圆柱薄壳，材料各向同性；绳的拉力为常数，且压力均匀分布在卷筒上；钢丝绳对卷筒端侧板的推力处理为均布载荷。

在卷筒参数设置界面点击“有限元分析”后，经ANSYS软件求解计算，得到卷筒变形图（见图6）和卷筒应力等值线图。

图6 卷筒变形图

4 结论

该设计软件已在某吨位桥式起重机参数化设计系统中成功运用，经实践验证该设计系统大大提高了桥式起重机起升机构的设计效率，缩短了设计周期，节约了设计成本，提高了企业的市场竞争力。

［1］ 林夫奎，赵霞，王欣.我国起重机械产业发展状况及标准化现状分析［J］.机械工业标准化与质量，2011（8）：11－14.

［2］ 罗臣强，仲梁维，朱娟.基于配置技术的起重机起升机构快速设计系统［J］.计算机系统应用，2012，21（2）：18－21.

［3］ 陈云，张晓钟，罗丹.基于Visual C＋＋的起升机构设计系统［J］.煤矿机械，2012，33（4）：236－238.

［4］ 张伟强，王宗彦，吴淑芳，等.门式起重机模块化快速设计系统研究与实现［J］.机械设计与制造，2010（3）：188－189.

［5］ 严大考，郑兰霞.起重机械［M］.郑州：郑州大学出版社，2003.

［6］ Hillstrom Fredrik.Applying axiomatic design to interface analysis in modular product development［C］／／ASME Design Engineering Division.［s.l.］∶［s.n.］，1994：363－371.

［7］ 刘坚，刘子建.基于特征技术的轴类零件CAD 系统设计［J］.湖南大学学报（自然科学版），2000，27（5）：44－48.

［8］ 何风梅，赵灿.缠绕式提升机卷筒强度的有限元优化设计［J］.矿山机械，2003（11）：42－44.

［9］ 吴卫国，杨平，王发祥.大型升船机卷筒结构有限元分析［J］.武汉交通科技大学学报，1995，13（3）：268－271.