桥式起重机主梁结构分析和优化设计

王晓红

摘 要：目前，桥式起重机是我国运用最为普遍的一种起重机，但与国外相近吨位的起重机相比，无论在结构尺寸，还是在材料、资源的合理利用方面都存在着相当大的提升考间。文章在起重量与跨度一定的情况下，对桥式起重机的主梁结构进行了详细分析，进而对其主梁自重優化设计与基于ANSYS对主梁结构优化设计进行了有效探讨，旨在对起重机主梁的设计方案进行最大程度的优化，以实现桥式起重机设计和制造的创新、优化，为我国的交通建筑事业快速发展和进步提供有效的参考意见。

关键词：桥式起重机；主梁；结构分析；优化设计

1 前言

科学技术的快速发展促进了工业生产方式的革新，机械化操作越来越多的运用日常的生产工作当中，尤其是单靠人力无法完成的大型货物的起重、装卸方面，使人力操作模式的压力得到了极大程度的释放。如今起重机械已成为了许多现代化的生产操作中必不可少的搬运设备，能够有效的节约重型货物的搬运、装卸时间，提高生产效率降低生产成本，尤其实在确保生产安全方面都发挥着至关重要的作用。

2 主梁结构分析和优化概述

基于计算机技术发展基础的数字化、机械化控制技术的广泛应用，以及结构优化的概念、理论知识的系统发展与普遍深入，使得起重机传统的设计得到了创新式、选择多样性的发展，在设计的过程中可以根据使用需要而自主选择迅速、有效的最优设计方案。这种方法就是优化设计法，它的出现与发展，因其自主性、针对性、有效性使其成为了目前机械设计中应用最广泛的一种设计方法。对主梁结构优化设计，指的是在遵循相关行业规范要求，及特定的使用功能的实现基础上，使主梁结构的重量、造价、刚度达到功能的最优化设计，同时实现最佳的灵敏度、稳定性和可靠性的设计方法。起重机作为现阶段提高生产效率、降低生产成本、减轻工人劳动负担的重要设备，其安全性能备受关注，尤其是起重设备还要实现在一的范围内的水平移动和垂直起升的功能，而且这类操作具有较强的循环性与动作间歇性的特点，因此，在起重机主梁的结构分析和设计中，必须实现安全性与稳定性的兼顾。

3 桥式起重机主梁结构的分析

3.1 主梁结构设计的要求

目前，根据主梁的数目或主梁机构可将桥式起重机分为较多种类比：按主梁的数目可分为单梁桥架式、双梁桥架式起重机；按结构可划分为型钢梁式桥架、箱型结构桥架、精架式桥架三种结构的起重机。其中，主梁结构较为简单是钢梁式结构起重机的主要特点，主梁设计一般采用的工字钢结构，一般适用于小车；应用较为普遍且工业简单的应属箱型结，但这种结构存在主梁易下饶的不足。根据各类桥式起重机的特点，其主梁结构的设计必须满足以下三个基本要求：

（1）主梁的刚度、强度必须满足设计要求。

（2）在保障生产效能的前提下，最大限度的降低主梁重量，节约生产资源，降低生产成本。也是减轻起重机的自重，降低桥架和厂房建筑结构负载的有效手段，提高起重机的安全性能，以及确保运行的稳定性。

（3）为确保起重机的正常运转，桥梁的大小必须和大小车运行的机构配合好，这也是保障起重机运行稳定性的重要环节。

3.2 我国桥式起重机主要采用的主梁结构

目前，国内桥式起重机使用的主梁结构类型比较多，但绝大多数是由箱型截面的双腹梁式，以及四桁架式这两种基本结构衍生形成。现阶段，我国生产起重机桥架的基本形式就是箱型截面的双腹梁式桥架，虽然这种主梁结构的自身重量较大，但是这种结构具有安装简单、维护方面，而且利于大批量生产的显著优势，成为了我国目前生产较为普遍的结构样式；四桁式结构的应用则相对较少，主要由两根主梁与左右两根端梁构成，而且主梁的外形一般设计为两端向上倾斜的样式，其目的主要是为了减轻自重和制造方便，抛物线型结构则比较少见。

4 桥式起重机主梁结构的优化设计

桥式起重机主梁的优化设计必须要严格遵守和执行国家相关标准的规定，在实现优化设计的同时应最大程度的保障起重机操作、运行的安全性与稳定性。对桥式起重机主梁的优化设计一方面可以从对主梁的宽厚程度度以及重量体积等影响主梁自重的关键部件进行改进；另一方面则是基于ANSYS对主梁结构进行优化设计。

4.1 对桥式起重机主梁的自重进行优化设计

多级模糊综合法是我国对起重机主梁的优化设计采用的主要方法。这种方法讲究的是在综合考滤生产成本、使用性能、制作工艺以及使用维护等多方面的因素的前提下，最大限度的满足起重机规格标准要求，节约资源，减少零部件的使用数量，从整体上优化起重机的主梁结构，降低起重机的整体重量。再者就是在对桥式起重机的主梁结构进行分析、优化设计的过程中，着重于轻化主梁结构，即在确保相同起重重量的前提下最大限度的减轻起重机主梁的重量。应从主梁箱型截面着手，以各个截面的尺寸为优化设计的设计变量，通过计算机技术的精确计算得出便于生产加工的详细参数，以此实现优化主梁结构的目的。这种类型的优化设计，不但能够有效的降低起重机的自重，节约资源，降低生产成本，而且也极大的减轻了桥架与厂房建筑结构的负荷，从而大大的提升了起重机的安全性与稳定性。

对起重机主梁结构优化设计而言，节约资源和材料是一个重要的研究课题，更是整个起重机行业发展面临的难题。就目前而言，我国在融合国内外先进的优化设计理念的基础上，进行自主创新、研发的三合一技术，具备高性能、低耗材的技术优势，采用国外高性能减速装置作为驱动器，吊挂于端梁内侧，还能避免振动对主梁的影响。

4.2 基于ANSYS对桥式起重机主梁结构进行优化设计

传统的结构设计虽然能够满足主梁对起重机的负载要求，但是缺乏操作上的安全保障，而且缺乏足够的稳定性，尤其是截面结构与其所承受的弯矩不相匹配。这种设计造成了材料浪费与主梁自重增加的双重负担。基于ANSYS软件的应用可以有效的解决这一问题，在对主梁结构进行优化过程中采用APDL技术，不但可以确保主梁的结构设计能够满足使用要求，而且结构设计的各项尺寸参数更趋合理化，达到优化主梁结构的效果。

为满足不同类型的分析需要，ANSYS软件数据库收集了200多种不同的单元的分析类型方便用户进行选择。每次分析进行之前，用户都可以根据实际需要从ANSYS的数据库中选择一种或者几种正确的单元类型，ANSYS将根据所选的类型的几何模型，经过计算生成相应的有限元模型，并得出分析报告，为主梁结构的正确建模提供有效依据。在对主梁各结构部位的尺寸参数以及相关的负载进行正确分析与计算的基础上，以减轻主梁自重为设计目标建立完整数学模型函数，通过对模型函数进行动态低阶求导，得出满足设计要求的主梁结构的最优参数组合，以供主梁的结构设计与起重机的使用维护提供有效参考，增强主梁结构的使用性能和安全系数。

5 结束语

文章以桥式起重机的主梁为研究对象，对其结构以及优化设计进行了有效的分析与探讨得出，降低主梁自身重量以及基于ANSYS对主梁结构进行优化，这两方面是主梁结构的优化设计的主要方向。在起重机项目的整体设计中，主梁的结构设计占据着极其重要的地位，随着先进的分析方法、技术的不断发展与应用，桥式起重机主梁结构分析和优化设计必将在今后的起重级优化设计中发挥更加重要、关键的作用。

参考文献：

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[3] 范丽丽.通用桥式起重机主梁结构优化设计[J].现代制造技术与装备，2015（1）：27～28.