辊压自动化传输设备桥式起重机吊架力学特性研究

金梁斌

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003）

辊压自动化传输设备桥式起重机吊架力学特性研究

金梁斌

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003）

以辊压自动化传输设备集中驱动桥式起重机吊架为研究对象，针对通过传统设计方法设计出的桥式起重机吊架，采用有限单元法对吊架进行强度和刚度考核，并进行模态分析。通过强度和刚度分析发现，通过传统手段设计出的吊架具有较大的安全富裕度，造成一定的资源浪费，可进行优化；通过模态分析可直观地分析吊架的动态特性，发现薄弱环节，有意识地避开吊架的固有频率，以免发生共振。

桥式起重机；有限单元法；刚度分析；强度分析；模态分析；固有频率

0 引言

自动化传输设备主要将生产出的产品按工艺要求对各生产线设备布局和分工，全自动地分配给后续各设备加工生产的一套生产管理及控制系统的传送设施，尽量达到无人化或少人化生产的目的[1]。辊压自动化传输设备通过“程控行吊”实现各生产线跨线之间的物料调运。

行吊又称行车、吊车、天车，按驱动方式不同分为集中驱动和分别驱动两类，按形状不同可分为门式起重机和桥式起重机[2]。本文研究的辊压自动化传输设备行吊为集中驱动桥式起重机，是横架于车间上空进行物料吊运的起重设备。

由于行吊跨距远、质量大、位置高，发生失效时对企业生命和财产将产生严重损失。故设计人员在设计行吊时应反复校核，既要保证行吊工作时的强度，又要防止变形过大产生刚度破坏，同时还应考虑行吊的振动特性，避免产生共振。

随着信息技术在各领域的迅速渗透，计算机辅助设计技术已得到广泛应用，从根本上改变了传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术改造、带动整个产业结构的变革、发展新兴技术，促进经济增长有十分重要的意义。有限单元法作为数值计算方法是在工程分析领域应用较为广泛的一种计算方法，利用有限单元法不仅可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约大量加工成本[3]。本文以辊压自动化传输设备桥式起重机吊架为研究对象，基于有限单元法对吊架进行强度和刚度分析，并对吊架的振动特性进行数值仿真分析，为以后行吊的设计和校核提供参考。

1 桥式起重机吊架结构

辊压自动化传输设备桥式起重机基本结构如图1所示，主要由行走机构、吊架、电控系统、电永磁吸铁、物料等组成。桥式起重机工作需要搬运物料时，在计算机上输入控制指令传达给配电柜，通过电机驱动齿轮齿条运动实现桥式起重机的平移和升降运动，运动到物料正上方距离物料较小距离时，电永磁继电器通电，产生强力磁场，实现物料的抓取，通过电机驱动齿轮齿条运动将物料运输到指定的位置，电永磁继电器断电，实现物料的存放。

图1 桥式起重机结构

2 桥式起重机吊架刚度及强度分析

桥式起重机在抓取和运输货物时，应保证吊架的强度和变形在许用值之内[4]。以往设计桥式起重机吊架时，由于不能完全模拟吊架的边界条件，往往将模型和载荷简化，使设计出的吊架具有较大的安全富裕度，造成资源浪费。本文采用有限单元法，完全模拟吊架的边界条件，考核吊架的刚度和强度，验证吊架设计的可行性。

由桥式起重机结构图可以看出，当起重机运输物料时，在各轴承座处会产生反力，吊架受力不再为单方向的力。为了减少计算量，先计算出各支座处的反力，再将其施加到桥式起重机的吊架上，考核吊架的刚度和强度。

传动杆模型化后为长6 000 mm，直径50 mm的长杆，材料为Q235，本桥式起重机的额定起吊重量为0.6 T，传动杆承载后的边界条件如图2所示。

图2 传动杆边界条件

通过计算分析，得到各个支点处的反力，如表1所示，图3所示为传动杆的应力云图。

表1 传动杆各支点反力

图3 传动杆应力云图

将求得的各支点反力施加到桥式起重机吊架上，计算吊架的变形和应力，考核桥式起重机吊架的刚度和强度。桥式起重机吊架的物理特性如表2所示。

表2 吊架物理特性

在对到桥式起重机吊架施加边界条件时，应考虑配电柜重量约150 kg，吊架的边界条件如图4所示。

图4 桥式起重机吊架边界条件

桥式起重机吊架受载后变形及应力云图如图5和图6所示。

图5 桥式起重机吊架变形云图

图6 桥式起重机吊架应力云图

为安全起见，取桥式起重机吊架应力安全系数为3，则吊架许用应力为78.33 MPa，根据材料手册查得，吊车梁的许用挠度为18.4 mm。由图5和图6可知，桥式起重机吊架受载后的最大变形为1.012 mm＜18.4 mm，最大应力为11.86 MPa＜78.33 MPa，满足强度和刚度要求，有较大的安全富裕度，可进行适当优化。

图7 优化后桥式起重机吊架变形云图

图8 优化后桥式起重机吊架应力云图

将桥式起重机吊架厚度优化为4mm，考核吊架的刚度和强度，图7、图8所示分别为优化后的吊架变形和应力云图。

图9 桥式起重机吊架1～4阶振型图

由图7和图8可知，桥式起重机吊架受载后的最大变形为8.499 mm＜18.4 mm，最大应力为32.818 MPa＜78.33 MPa，满足强度和刚度要求。由此可看出，通过传统手段设计出的桥式起重机吊架存在较大安全富裕度，造成了一定的资源浪费，通过有限单元法优化的桥式起重机吊架满足强度和刚度要求，较充分地利用了资源，节约了成本。

3 桥式起重机吊架模态分析

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数。进行模态分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动，使工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的，有助于在其他动力分析中估算求解控制参数[5]。

模态分析基本理论：令{u }为广义坐标的矩阵，[K]、[M ]及[C ]为与{u }相对应的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，{¨}、{}分别为加速度矩阵和速度矩阵。根据达朗贝尔原理，只要在研究对象所受的外力中加入惯性力，就可以像建立静力学平衡方程那样去建立动力学方程。多自由度系统有阻尼振动方程如下[6]：

式（1）中{P(t)}为所受外部载荷列阵，因为结构的固有频率和振型与所受外力{P(t)}无关，而小阻尼对固有频率和振型影响并不大。因此常用无阻尼自由度振动方程求解结构的频率和振型，上式简化为下式[6]：

图10 优化后桥式起重机吊架1～4阶振型图

表3 桥式起重机吊架优化前后的固有频率

由式（2）可知，固有频率由模型的质量和刚度决定。通过数值仿真计算分析，可得到桥式起重机吊架各阶振型的固有频率，图9所示为桥式起重机吊架1～4阶振型图，表3为优化前后吊架前10阶的固有频率。

计算优化后桥式起重机吊架各阶振型的固有频率，如图10所示为优化后桥式起重机吊架1～4阶振型图。

通过模态数值仿真计算分析，得到辊压自动化传输设备桥式起重机吊架的振动特性，可直观地分析吊架的动态特性，发现薄弱环节，有意识地避开吊架的固有频率，以免发生共振。

4 结论

本文以辊压自动化传输设备桥式起重机吊架为研究对象，针对通过传统设计方法设计出的桥式起重机吊架，采用有限单元法对吊架进行强度和刚度考核，并进行模态分析，得到结论主要如下：

（1）通过传统手段设计出的桥式起重机吊架满足强度和刚度要求，但存在较大安全富裕度，造成了一定的资源浪费；

（2）采用有限单元法优化后的桥式起重机吊架满足强度和刚度要求，较充分地利用了资源，节约了成本；

（3）通过对桥式起重机吊架模态分析，可得到吊架的振动特性，直观地分析吊架的动态特性，发现薄弱环节，有意识地避开吊架的固有频率，以免发生共振。

［1］张锐.自动化流水线设备管理探索［D］.上海：复旦大学，2007.

［2］付海波.基于RFID的天车防碰系统的研究与设计［D］.武汉：武汉理工大学，2009.

［3］张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］李家宝.结构力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］周长城，胡仁喜，熊文波.ANSYS11.0基础与典型范例［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［6］肖锋，陈君若，刘显茜.基于ANSYS酌高速轮盘动力学模态分析［J］.制造业信息化，2008（2）：136-137.

Study on Mechanical Properties of Bridge Crane Hanger of Roller Pressure Automatic Transmission Equipment

JIN Liang-bin
（No.710 Research and Development Institute，CSIC.，Yichang443003，China）

In this paper，bridge crane hanger of roller pressure automatic transmission equipment is studied.Aiming at the bridge crane hanger designed with traditional method，strength and stiffness analysis of hanger are carried out with finite element method.Then modal analysis is also accomplished.According to the results of strength and stiffness analysis，it is noticed that the hanger designed with traditional methods has larger safety allowance.This will result in a wasteful use of resources.Therefore，optimization design is needed for the hanger.The dynamic characteristics of hanger are analyzed with modal analysis.Then the weak link is found.In order to avoid resonance，it is consciously to keep the exciting frequency away from natural frequency of hanger.

bridge crane；finite element method；stiffness analysis；strength analysis；modal analysis；natural frequency

TH122

A

1009－9492(2014)03－0019－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.006

金梁斌，男，1985年生，浙江金华人，大学本科，工程师。研究领域：机械设计及仿真技术。已发表论文5篇。

(编辑：阮 毅)

2013－09－05