龙门行吊系统及其力学分析

李明珠，莫云霞，张怀礼，翁思远，马泽林

（1.国机铸锻机械有限公司，山东 济南 250306；2.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

随着国内卡车行业的不断发展，纵梁加工车间的自动化程度要求越来越高。物流的自动化连线实现了纵梁在各加工工序间的自动化输送，同时也实现了纵梁的不落地连续生产，达到了生产线无人化或者少人化的作业目的。龙门行吊系统是实现纵梁自动化连线的重要组成部分，其主要包括行吊轨道系统部分和程控行吊部分。

1 行吊轨道系统

行吊轨道系统（图1）用于承载程控行吊，为程控行吊提供动力、轨道及支撑。由龙门轨道架、支撑架、横梁、导轨、齿条和滑触线等组成。横梁、导轨与齿条安装时需保证平行度，使行吊运行平稳。

图1 行吊轨道系统

龙门轨道架、支撑架和横梁组成轨道行吊的本体，均由钢结构型材焊接而成，结构安全牢固，支撑架采用向上凸起方式可有利于伺服行程行吊在下方穿行；轨道安装于横梁上用于伺服行程行吊的支撑和水平运动；齿条采用精密产品，具有较好的耐磨性和运行精度；滑触线安装于横梁上内侧，采用三相四线制为伺服行程行吊提供电能。

2 程控行吊

程控行吊（图2）主要由移动横梁及其驱动装置、吸盘控制及其升降装置、行走及导向滚轮以及电磁吸盘组件等组成。

图2 程控行吊

水平移动部件由移动横梁及驱动装置等组成，移动横梁由钢结构型材焊接而成，驱动装置由伺服电机和减速机组合提供动力，移动横梁由水平伺服电机通过齿轮、齿条驱动；垂直提升部件由提升驱动装置和提升横梁组成，提升驱动部件安装于移动横梁上，通过变频调速电机提供动力，提升横梁通过提升齿轮和提升齿条驱动，提升齿条通过直线导轨导向；电磁吸盘部件安装在提升横梁上，可满足各型号U 型纵梁的吸持提升；电磁吸盘均匀分布，对于不同长度的U 型纵梁，所需吸盘的个数也不尽相同，吸盘之间的距离也可以进行合理的调整；缓冲部件由焊接支架和辊轮组成，伺服行程行吊在水平移动时提升横梁需要进入缓冲部件开口辊轮内，缓冲部件辊轮将提升横梁抱紧，这样可避免伺服行程行吊在高速运行时提升横梁产生晃动，增加了部件运行时的稳定性；电控系统用于控制伺服行程行吊的水平移动和电磁吸盘部件对纵梁的吸持，当行程行吊移动横梁移动到指定位置后，电磁吸盘下降，碰到纵梁后开关发讯停止，电磁吸盘吸住纵梁；电磁吸盘上升到达最上位停止，水平电机带动移动横梁运动，将纵梁运送至需要放置位置上方，垂直电机驱动提升横梁下降至指定位置，开关发讯后停止，电磁吸盘将纵梁放在指定位置上；吸盘返回初始位置，等待信号开始下一个工作循环。

3 龙门行吊系统的力学分析计算

纵梁自动化生产过程中，龙门行吊（图3）的吊运能力和运行速度均要满足生产要求，且运行过程安全可靠、平稳快速。行吊轨道系统用于承载程控行吊，其受力情况对于龙门行吊系统至关重要。下面以跨度8m 和6m 的龙门行吊结构为例进行力学分析计算。

图3 龙门行吊

3.1 整体模型描述

龙门行吊系统的有限元模型主要包括龙门轨道架、横梁、自制轨道以及程控行吊系统等，H 型钢、底板和矩形管均采用等厚度的shell 单元模拟，导轨及导轨底板采用六面体网格划分。

3.2 连接形式

各部件连接形式见图4 连接形式表。

图4 连接形式表

3.3 模型简化

为保证计算精度同时提高计算效率，对程控行吊系统模型进行简化（图5），有限元模型中不考虑垂直传动机构、水平传动机构、电磁吸盘机构以及滚轮模型，行吊系统在载重时以1.5 倍系数计重，并将质量平均分布到管梁结构表面。

图5 模型简化

3.4 工况设定

边界条件：约束立柱底端所有自由度。

加载：对行吊轨道系统模型加载1G 重力场，对程控行吊系统施加1.5G 重力场（图6）。

图6 约束加载

3.5 结果分析

3.5.1 整体位移

跨度8m 的龙门行吊整体位移云图，最大位移11.2mm（图7）；跨度6m 的龙门行吊整体位移云图，最大位移9.5mm（图8）。

图7 跨度8m 智能行吊系统整体位移云图

图8 跨度6m 智能行吊系统整体位移云图

3.5.2 轨道位移

跨度8m 的行吊轨道系统位移云图，最大位移4.5mm（图9）；跨度6m 的行吊轨道系统位移云图，最大位移2.5mm（图10）。

图9 跨度8m 行吊轨道系统位移云图

图10 跨度6m 行吊轨道系统位移云图

3.5.3 应力

跨度8m 的龙门行吊系统的最大应力117.7MPa，位于立柱与支撑架连接位置（图11）；跨度6m 的龙门行吊系统最大应力107.8MPa，位于立柱与支撑架连接位置（图12）。

图11 跨度8m 智能行吊系统应力云图

图12 跨度6m 智能行吊系统应力云图

3.5.4 结论

相对跨度6m 龙门行吊系统，8m 跨度整体位移相对变化量1.7mm，轨道系统位移相对变化量1.6mm（图13）。轨道跨度变为8m 后轨道框架位移量增加64%，可增加H 型钢截面尺寸进行优化。

图13 跨度变化量分析表

相对跨度6m 轨道系统，8m 跨度轨道系统应力增加9.9MPa，但整体最大应力均小于材料屈服强度235MPa，满足使用要求。

4 结束语

龙门行吊系统实现了纵梁在各加工工序间的自动化输送以及不落地连续生产，节省了大量的人力物力，极大的提高了生产效率，为纵梁无人化车间的实现奠定了重要基础。