摘要：通过对小车架进行优化设计，优化后的小车架不仅更能满足要求，也增强了小车的使用寿命，机械性能更优于原方案。
关键字：双梁铸造起重机；小车架；结构优化设计
引言：起重机作为重要的物流机械，在我国国民经济各部门的物质生产和物资流通中发挥着巨大的作用。尤其是近年来，由于我国加速构建和谐社会的需要，起重机作为关键的工艺设备及重要的辅助机械，在我国的经济建设中扮演着越来越重要的角色。起重机可按主要用途和构造分类。按主要用途可分为通用起重机、建筑起重机、冶金起重机、铁路起重机、港口起重机、造船起重机及甲板起重机等。按构造特征可分为桥式类型起重机和臂架式类型起重机旋转式起重机和非旋转式起重机固定式起重机和运行式起重机等川。
1 起重机的应用现状
由于时代的发展，制造工厂和装卸作业场所开始转向室内，使桥式起重机逐渐占据了主导地位，设置在室内的起重机中，桥式起重机约占。桥式起重机的特点在于它不占用建筑物内的主要地面，却能以极少的物资材料和极为稳定的形态把建筑物内各处当作可能的作业范围，进行高速、高效的服务。此外，桥式起重机容易以较低的成本实现各机构的半自动或自动控制。因此在物流机械设备中，桥式起重机起到了非常重要的、不可替代的作用。目前我国起重机己经逐渐开始采用轻量化设计，但是通过对国内大量文献的查阅发现轻量化研究的主要工作还是集中在主梁的结构优化上，对小车轻量化的研究还有待深入并且在很多情况下，我们一些工厂还在采用相当陈旧的方法设计、制造小车。
本文中分析原小车各功能部件以及小车架结构，发现该小车设计上存在的不足对该小车进行结构轻量化重设计，分析该新设计小车结构的合理性，并对其车架结构进行改进和优化得出该吨小车的最终轻量化设计方案。
双梁桥式起重机的小车由起升机构、运行机构及小车架3部分组成，最大起重量为32吨。起重机小车架的功能结构主要分成以下4个部分：梁、平台、底座以及梯子栏杆，其中，梁是小车架的承重件，主要承担起升机构和运行机构传递给小车架的载荷；平台是小车架中的支承件；底座是起升机构与运行机构中的电机、减速器、制动器等与小车架的联接件；梯子是通道；栏杆起着安全性保护作用。作为承载起重机中小车安全运行的一个关键部件小车架应在满足强度和刚度要求的前提下，减少自身的重量，为此，需要对小车架的结构进行优化设计。
2 起重机的小车参数与建模
小车架基本尺寸为：3400*3200*420，根据小车架功能要求，吊货物以及搬运，大致确定了小车架上安装起升机构、运行机构及相关零件位置尺寸，这些位置尺寸的调整由后续优化工作解决，考虑到要满足小车架抗弯、抗扭强度的要求，在载荷集中部位，例如：起升机构、运行机构的安装部位，分别设置纵、横肋板，纵、横肋板设置在小车架底部。随后分别将起升机构、运行机构的数学模型导入小车架上初步设定的位置，构建出起重机小车装配的数学模型。
在Adams系统内，设定好各个运动部件的连接关系及相互之间的约束关系后，进行动态仿真，通过仿真演示可以看出，小车架机构能实现准确地起升、制动以及运载动作功能，同时还可以看出小车架机构各个安装部件没有出现运动干涉现象，运动学仿真表明设计的小车架各个安装部件的相互之间位置关系是合理的。
2 优化模型的建立
2.1 参数化设计的介绍
参数化设计是指将设计的模型，其尺寸用对应关系表示，而不需要确定具体数值，变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，并遵循约束条件。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆约束包括：尺寸约束、拓扑约束和工程约束（如应力、应变、性能等），这些约束反映了设计时必须要考虑的因素。参数化设计的关键是几何约束的提取和表达，几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。根据桥式起重机小车架零部件结构形式固定的特点，把桥式起重机小车架进行参数化建模处理，即采用参数修改法进行建模。
2.2 参数化设计步骤
起重机小车架参数化设计的主要工作为把小车架的构件，梁、平台、底座以及梯子栏杆参数化处理；并对这些构件自动配置相应的工程图。具体步骤如下：
（1）建立各个模块的三维模型和工程图模板，包括涉及的零件、部件以及总装的模型；
（2）通过对梁、平台、底座以及梯子栏杆的参数化分析，确定需要变化的参数，划分出拓扑层次：一级参数、二级参数和从动参数；
（3）设计与小车架工程图关联的自动配置系统，解决工程视图位置配置、尺寸位置配置、焊缝符号位置配置、零部件序号位置配置等相关问题。本项目采用了自顶往下IDEF0的方法，按照自顶向下，逐层分解的结构化方法描述和建立系统的功能模型，之所以采用IDEF0方法，主要是考虑到它有如下优点：能通过简单的图形符号和自然语言来清楚、全面地描述系统；可以明确系统功能和系统实现之间的差别，即“做什么”和“如何做”的差别。
2.3 小车架参数化模型
小车架由梁和覆盖板构成，将小车架的构件，梁、平台、底座以及梯子栏杆分别进行模块化处理，然后在MSC.Patran软件内对小车架进行了有限元网格参数化划分处理，从计算时间以及计算精度等因素考虑，把网格点设定为86530，处理后，小车架单元为46026。通过对小车架结构模态的分析，获得了小车架在不同激振下的相应频率，小车架在外界激振频率为 22.59HZ 时，以右侧行走轮为轴线发生了翻转式的弯曲变形；当外界激振频率为 45.5HZ 时，小车架起重部位附近发生了扭曲变形。32吨桥式起重机的小车的起升机构以及运行驱动机构采用电动机驱动，电动机频率是50 HZ、被起吊重物运载时会产生左右摆动其频率约为9 HZ，这表明小车架运行时受到的激振频率与发生共振的激振频率不是倍频关系，小车架在正常的工况条件下运行不会出现共振现象，设计的小车架结构是合理的，安装在小车架上的起升机构、运行机构，其安装部位也是合理的。
2.4 仿真运行
通过模拟小车架的实际工况，给小车架施加32吨载荷，接着对小车架进行了动力学仿真，通过仿真我们获得了小车架处于工况条件下运行的数据。小车架受到的最大 Von Miss 应力为 226Mpa，小车架的钢板采用Q235制造，Q235材料的屈服强度为235Mpa，可以满足小车架在额定工况条件下作业的强度要求；从图5中我们还可以看出小车架在额定工况下运行时应力集中在主动轮左侧和右侧的覆盖板，这些部位受到的应力数值最大达到226Mpa，相对来说该部位较为薄弱，分析原因主要是由于载荷不均匀所致，这一部位受到的载荷主要为起升机构的自重、吊装工件的重量，由于这两部分的重量过于偏向左侧，导致左侧主动轮受到载荷相应偏大，而安装在小车架支座上的左侧主动轮必然将受到的载荷传递给小车架覆盖板，所以应力就反映出上述部位较大的载荷。针对这一情况，可以采用重新调整小车架起升机构安装位置的办法。应力相应较大的部位还有小车架的横梁以及覆盖板的中间部位，应力分布较为均匀，说明小车架结构布局基本合理，覆盖板中间部位受力较大主要是起升机构的载荷作用的结果，这一部位可以考虑相应增加钢板的厚度。其它部位在工况条件下运行时，受到的载荷偏小，约为32Mpa，因此，也可以考虑相应的对这些部位的钢板进行减薄处理，达到节省材料的目的。由于小车架整体已经进行了参数化处理，当改变起升机构的安装位置以及钢板的厚度时，小车架整体也相应随之变化。
结语
通过对小车架进行结构设计的优化，提高了机械的工作效率，对工程的顺利进行也有促进作用。
参考文献：
[1]席瑞萍，高崇仁.基于ADAMS的塔式起重机动力学仿真[J].中国重型装备，2016，(4).
[2]刘俊，林砺宗.ADAM柔性体运动仿真分析研究及应用[J].代制造工程，2017，(5)
论文作者:王晓洁, 辛鑫
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/18
标签：车架论文; 起重机论文; 机构论文; 小车论文; 参数论文; 载荷论文; 部位论文; 《防护工程》2018年第23期论文;