门式起重机结构优化设计

黄海峰*

（银川科安特起重机制造有限公司,宁夏银川，750001）

引言

起重机的分类方法有多种，常见的是按起重机体型特点来分类。如桥式起重机，门式起重机，门座起重机，汽车起重机，铁路起重机，栀杆起重机，缆索起重机等。

1 门式起重及结构问题

1.1 金属结构故障原因

起重机的金属结构主要作用就是承受工作过程中的基本、附加和特殊 3大类载荷，是主要的承载部件。金属结构的材料主要是钢材，要使起重机的零部件和金属结构在受载后不破坏、在循环应力的作用下能够保证寿命，材料要求具备足够的刚度、强度、抵抗屈曲的能力。在通常状况下，门式起重机金属结构经常见到的故障有：旁弯变形、主梁下挠，主梁接焊缝或者桁架接点焊缝有开焊的地方，主梁盖板或腹板发现疲劳裂纹，主梁腹板有波浪变形等。导致这类金属结构故障的原因主要体现下面几点：（1）焊接的工艺不符。焊接的质量较差，有气孔、漏焊、裂纹、未焊透、未熔合等焊接缺点。这些缺点降低焊缝的面积，减少焊缝承载能力，出现局部的应力集中，减少疲劳强度，容易发生裂纹致使破坏。焊接的工艺不当，还会引发焊接内应力和工作应力叠加，致使主梁旁弯并出现过大焊接残余应力，进而导致腹板或盖板出现波浪变形等缺陷。（2）长时间超载操作。长时间超负荷过载使用，使腹板失稳所致。（3）热效应的影响，存放、运输不当，材质的疲劳等因素影响。

1.2 起升机构故障原因

1.2.1 制动装置引发的故障

起重机的工作机构均应装设制动装置。制动装置是保证起重机安全工作的重要部件，在起重机械的日常工作中发挥重要的作用。制动器常见的机械故障主要有：制动不灵、制动器不松闸、制动器打不开、制动力矩过大、制动瓦发生焦味冒烟、制动器失灵等，引起这些故障主要原因如下：（1）制动轮有故障。主要表现为制动轮与减速器输入轴不同心、直径不圆度超差、制动轮工作表面粗糙有油污等。（2）制动瓦衬有故障。主要表现为制动瓦衬与制动轮间隙不均匀、制动瓦衬胶粘在制动轴上、制动瓦衬严重磨损等，这些原因均可导致机构运行时瓦衬仍然压在制动轮上摩擦而产生故障。（3）主弹簧有故障。主要是主弹簧调整不当或型号不匹配引起的张力太大或太小，还有主弹簧在长期使用中出现松动疲劳老化损坏等。这些原因均可引起制动装置制动力矩不足，推不开制动臂，导致制动不灵。

1.2.2 减速器引发的故障

减速器在原动机和工作机构之间起到匹配转速和传递转矩的作用，在门式起重机械中其主要故障有：周期性齿轮振动、齿轮啮合时有不均匀的敲击声、减速器整机振动、减速器部门面漏油等。

1.3 运行机构故障原因

起重机大小车运行机构主要由车轮、电动机、减速器、制动器、联轴器、传动轴等组成，其驱动方式主要有分别驱动和集中驱动两类。起重机大小车运行机构的故障主要是啃轨。由于未按照工艺规范施工及长期在磨损状态中使用，导致车轮轮缘与运行轨道面产生摩擦，其侧向推力的存在使得车轮无法沿着轨道的踏面中心而运行，致使啃轨的现象。啃轨会加快轨道磨损，增大运行的阻力，减少车轮使用寿命，严重的还会损坏房梁的结构，导致脱轨的事故。造成啃轨的原因比较多，主要有：（1）轨道面有问题。轨道面有油污或者冰雪未能及时清洗。（2）金属结构的腐蚀变形，尤其是在户外操作的门式起重机，因为腐蚀变形而引发了大小车车架对角线非常差，长期操作使得桥架呈菱形状运转，致使车轮啃轨。（3）大小车车轮安装精度差。车轮水平以及垂直方向偏斜非常差，轨道车轮因磨损使单位面积的压力过大，致使车轮磨损不均，出现啃轨的现象。（4）两个主动车轮直径不相等，致使两侧车轮速度不样，致使车体走斜而咬轨。

2 门式起重机结构优化设计的基本方法与步骤

2.1 基本方法

（1）简单解法。主要包括图解法和解析法两种，前者是指在设计空间中做出可行域与目标函数的等值面，通过在可行域中寻找能够让目标函数取得最小值的位置。

（2）准则法。该方法是从工程和力学的角度出发，在符合一定准则的条件下，通过迭代方法求解出最优解。该方法具有较快的收敛速度，迭代次数与变量数目之间没有必然的联系，主要用于结构布局及几何形状确定的情况。

（3）数学规划法。为了将复杂的结构问题简单化，可以将结构问题转化为数学规划问题，并采用数学规划法进行问题的求解。在进行结构的优化过程中，有约束的非线性规范是比较常用的一种数学规划方法，相较于线性规划问题，该种类型的问题比较复杂，并且具有较大的求解难度。

2.2 基本步骤

（1）将结构优化问题转化为与之相应的数学规划问题，并建立适宜的数学模型；（2）根据建立的数学模型和要优化的结构特点，选择有针对性的优化算法；（3）将优化算法通过计算机语言编写成相应的迭代程序；（4）通过计算机对迭代算法进行充分的迭代计算，并选出与之相应的最优方案；（5）对选出的方案进行更进一步的检验，并根据校验结进行有针对性的调整。

2.3 iSIGHT优化分析及方法

iSIGHT软件具有非常强大的用户界面，用户能够将工作界面图形化，再进行产品的设计和优化等工作。该软件能够将设计中使用的所有软件进行有效的整合，并自动进行方案的优化设计，具有自动化、集成化以及最优化等3大优化功能。同时，在优化循环的整个过程中，还能够进行实时的监控，并根据监控结果对优化过程进行有效的调整。iSIGHT软件主要为用户提供4种优化方法，即数值优化、全局探索法、启发式优化法以及多目标多准则优化算法。

3 结束语

为了提高门式起重机结构的设计质量，就要对其进行结构优化设计，并根据结构特点选择适宜的优化方法，确保优化设计工作得以顺利实施。深入分析研究优化设计的基本概念，在此基础上，论述了优化设计的基本方法和步骤，对于从事优化设计工作的人员具有一定的借鉴意义

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[3] 钟琼慧.门式起重机金属结构与优化设计研究[J].山东工业技术,2015(11):95.

[4] 黄孔文.大跨度门式起重机结构优化之我见[J].科技展望,2016.26(15).

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