关键词：起重机；结构优化；快速轻量化设计；系统
引言
起重机的内部结构相对比较复杂，其内部包含很多的零部件，在卡在轻量化设计过程中，要通过耗费很多的时间和精力进行多次建模和分析。因为起重机的种类的型号比较多，根据起重量和跨度等因素划分成为不同的洗礼，运用参数化技术和优化设计方法可以很快的完成轻量化设计。从而有效的减少了设计时间，很快的适应市场发展需要，从而促进企业的快速发展。
1轻量化设计理论
轻量化技术是集轻量化设计、轻量化材料和轻量化制造技术为一体的系统工程，其目的是使重量、性能和成本得到综合优化。主要的轻量化设计理论有：
1.1优化法
优化法则是在产品设计时将数学与计算机技术相结合，通过合理确定参数关系和建立计算模型，来调整和优化设计方案，能自动迅速获得质量、成本、性能和承载能力等优化目标的最佳设计方案，是轻量化设计的有效方法。
机械设计首先以重量最轻为目标函数，若综合考虑其性能、成本、工艺、生产管理、批量和维护保养等多重因素，则需要采用多目标优化方法，对方案选取、主参数匹配、主要结构及传动件的设计及布置等方面进行系统多目标整体优化，以达到改善产品性能、降低制造成本、提高通用化程度、用较少的规格数的零部件组装成多规格的系列化产品、达到充分满足用户需求的目的。
1.2有限元法
有限元法则是根据原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，随着计算机应用技术的发展，在工程领域已得到广泛的应用。采用有限元法则优越很大，能全面、多工况随意组合，进行静力、动力、线性和非线性分析，对完成复杂结构或多自由度系统的分析十分有效，能针对产品实际使用的结构边界条件进行定量分析计算，并通过有限元软件为设计提供丰富且能反映实际工况的计算结果，并配有丰富的动态图形显示功能。通过调整和优化设计方案，自动获得满足实际使用工况的最优目标设计方案，使各结构的材料发挥最大作用，避免不必要的材料重量，也是个性化设计的有效方法。
1.3模块法
模块化设计是将一些基本模块单元通过不同的组合形成各种产品，以满足用户多品种的要求，由于模块化设计使得零部件具有完全的互换性，设计周期将大大缩短，提高生产效率。目前机械大都采用传统的单一设计方法，单型号规格、单船配设计制造，产品通用化程度低，重量过大，周期长，成本高 [1]。
2轻量化设计应用实例
2.1设计方案
该轻小型上旋转起重机结构如图1所示，主要包括大车运行机构1、主梁2、下小车3、上小车4、电动葫芦5、上小车供电装置6、上小车旋转机构7、下小车运行机构8、下小车供电装置9。
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大车运行机构1主要为电机、减速机和车轮组成的轨道运行机构，其主要功能为带动起重机大车沿车间轨道直线运行；主梁2结构为“箱型梁”结构，采用钢板拼接焊接成形，为起重机主结构件；下小车3为钢板拼焊成的平台结构，在其上部安装有环形轨道，其主要功能是承载上小车4及上小车上的起升机构、小车运行机构，实现上小车4在环形轨道上的运行，从而实现上旋转功能，满足负载旋转调整吊装需要；上小车供电装置6为继电器及电气控制装置组成的控制系统，其功能是为下小车3在主梁2上的运行和控制提供动力和控制系统；上小车4采用工字形结构设计，为钢板拼焊成的平台机构，主要作用是承载电机和三合一小车运行机构和起升机构；采用2个电动葫芦5替代传统卷扬起升机构作为起升装置，并通过螺栓连接方式安装固定在上小车4底部位置；上小车旋转机构7为电机、减速机、制动器集成式三合一运行装置，电机提供动力使得上小车4沿下小车3上的环形轨道进行360°旋转运行；下小车运行机构7也为三合一运行机构，可使下小车3沿主梁2轨道进行直线往复运行。
1. 大车运行机构 2. 主梁 3. 下小车 4. 上小车
5. 电动葫芦 6. 上小车供电装置 7. 上小车旋转机
构 8. 下小车运行机构 9. 下小车供电装置
图1 轻小型上旋转起重机整机结构图
该起重机在传统上旋转起重机的基础上，上小车采用工字形结构设计，并在底部固定电动葫芦，通过在上小车上以电动葫芦作为起升装置替代传统卷扬式起升装置，有效降低起升机构的高度和重量；2个电动葫芦之间采用联轴器进行刚性连接，可以确保2个电动葫芦之间起升和下降的同步性；同时大小车运行机构均采用电机、减速、制动三合一驱动，传动部件少、重量轻，达到减轻起重机的自重和低净空的目的[3]。
2.2 结构设计特点
（1）轻量化结构特点
整体采用轻量化结构设计方案。上小车结构设计采用以静定结构设计方案代替传统的超静定结构方案，上小车采用工字形结构设计，同时以电动葫芦作为起升装置替代传统卷扬式起升装置。由于电动葫芦具有集成化产品特点，与传统卷扬机构的上旋转起重机（如图2所示）相比具有体积小、重量轻、能耗低的特点，可以大幅度降低整机的高度和重量。高度可以下降至少15%，自重可以降低约10%。
（2）上旋转结构特点
该起重机旋转结构分为上、下小车结构和环形轨道与运行装置分离的设计方案。环形轨道设计在下小车上，旋转运行装置设计在上小车上，有利于整体结构实现模块化设计方案和整机的安装装配、维护，通过运行电机提供动力使得上小车车轮沿下小车的环形轨道进行360°旋转运行，达到“上旋转”的设计功能。
（3）起升同步特点
为确保2个起升机构运行的同步功能，2个电动葫芦5之间通过万向联轴器1进行刚性连接（如图3所示），起到控制2个电动葫芦同步升降的目的，实现2台起升装置的同步运行，满足同步起吊负载的功能。
3轻量化设计的质量保证
3.1工艺设计
轻量化设计也是精细化设计，这将把精度控制摆在了更高的位置，作为制造过程中的尺寸控制，贯穿整个制造过程，它分为主动管理与被动管理，主动管理指通过在过程中的控制及事先的预防来达到精度要求，被动管理则指通过利用后期测量所得到的数据来对产品进行修正达到精度要求，精度控制是保证精细化设计的重要手段[4]。
3.2现场管理
现场管理系指对产品设计和工艺设计实施情况的的管理和监督，其质量管理水平直接关系到产品最终的性能和安全。产品优化设计后，每个零部件的制造和安装都必须保证发挥至设计水平，工艺设计是第一道质量关，现场管理则是最后的屏障，无论哪一个环节出现质量问题都将导致设计失败。因此，现场管理水平同样是决定轻量化设计成果与否的重要保障[5]。
结束语
综上所述，在确保起重机的结构性能的基础上要尽量的减少质量，起重机轻量化设计主要通过运用轻量化材料、结构轻量化设计、运用先进的制造工艺等。起重机轻量化的主要途径就是结构轻量化设计。其主要研究内容是通过拓扑优化设计、形状优化设计和尺寸优化等方法，从而有效的对起重机整体或者部分进行优化。
参考文献
[1]程文明，李亚民，张则强.桥式起重机与门式起重机轻量化设计的关键要素［J］.中国工程机械学报，2012（1）：41-49.
[2] 周唯靓，袁祖强，殷晨波，等．基于拓扑优化的起重机主梁轻量化方法研究[J]．矿山机械，2015(4)：47-50．
论文作者:李肖威
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
标签：小车论文; 起重机论文; 轻量化论文; 机构论文; 结构论文; 装置论文; 设计方案论文; 《科学与技术》2019年18期论文;