輥壓自動化傳輸設備橋式起重機吊架力學特性研究

金梁斌

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003）

輥壓自動化傳輸設備橋式起重機吊架力學特性研究

金梁斌

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003）

以輥壓自動化傳輸設備集中驅動橋式起重機吊架為研究對象，針對通過傳統設計方法設計出的橋式起重機吊架，采用有限單元法對吊架進行強度和剛度考核，并進行模態分析。通過強度和剛度分析發現，通過傳統手段設計出的吊架具有較大的安全富裕度，造成一定的資源浪費，可進行優化；通過模態分析可直觀地分析吊架的動態特性，發現薄弱環節，有意識地避開吊架的固有頻率，以免發生共振。

橋式起重機；有限單元法；剛度分析；強度分析；模態分析；固有頻率

0 引言

自動化傳輸設備主要將生產出的產品按工藝要求對各生產線設備布局和分工，全自動地分配給后續各設備加工生產的一套生產管理及控制系統的傳送設施，盡量達到無人化或少人化生產的目的[1]。輥壓自動化傳輸設備通過“程控行吊”實現各生產線跨線之間的物料調運。

行吊又稱行車、吊車、天車，按驅動方式不同分為集中驅動和分別驅動兩類，按形狀不同可分為門式起重機和橋式起重機[2]。本文研究的輥壓自動化傳輸設備行吊為集中驅動橋式起重機，是橫架于車間上空進行物料吊運的起重設備。

由于行吊跨距遠、質量大、位置高，發生失效時對企業生命和財產將產生嚴重損失。故設計人員在設計行吊時應反復校核，既要保證行吊工作時的強度，又要防止變形過大產生剛度破壞，同時還應考慮行吊的振動特性，避免產生共振。

隨著信息技術在各領域的迅速滲透，計算機輔助設計技術已得到廣泛應用，從根本上改變了傳統的設計、生產、組織模式，對推動現有企業的技術改造、帶動整個產業結構的變革、發展新興技術，促進經濟增長有十分重要的意義。有限單元法作為數值計算方法是在工程分析領域應用較為廣泛的一種計算方法，利用有限單元法不僅可以提高設計質量，縮短工程周期，還可以節約大量加工成本[3]。本文以輥壓自動化傳輸設備橋式起重機吊架為研究對象，基于有限單元法對吊架進行強度和剛度分析，并對吊架的振動特性進行數值仿真分析，為以后行吊的設計和校核提供參考。

1 橋式起重機吊架結構

輥壓自動化傳輸設備橋式起重機基本結構如圖1所示，主要由行走機構、吊架、電控系統、電永磁吸鐵、物料等組成。橋式起重機工作需要搬運物料時，在計算機上輸入控制指令傳達給配電柜，通過電機驅動齒輪齒條運動實現橋式起重機的平移和升降運動，運動到物料正上方距離物料較小距離時，電永磁繼電器通電，產生強力磁場，實現物料的抓取，通過電機驅動齒輪齒條運動將物料運輸到指定的位置，電永磁繼電器斷電，實現物料的存放。

圖1 橋式起重機結構

2 橋式起重機吊架剛度及強度分析

橋式起重機在抓取和運輸貨物時，應保證吊架的強度和變形在許用值之內[4]。以往設計橋式起重機吊架時，由于不能完全模擬吊架的邊界條件，往往將模型和載荷簡化，使設計出的吊架具有較大的安全富裕度，造成資源浪費。本文采用有限單元法，完全模擬吊架的邊界條件，考核吊架的剛度和強度，驗證吊架設計的可行性。

由橋式起重機結構圖可以看出，當起重機運輸物料時，在各軸承座處會產生反力，吊架受力不再為單方向的力。為了減少計算量，先計算出各支座處的反力，再將其施加到橋式起重機的吊架上，考核吊架的剛度和強度。

傳動桿模型化后為長6 000 mm，直徑50 mm的長桿，材料為Q235，本橋式起重機的額定起吊重量為0.6 T，傳動桿承載后的邊界條件如圖2所示。

圖2 傳動桿邊界條件

通過計算分析，得到各個支點處的反力，如表1所示，圖3所示為傳動桿的應力云圖。

表1 傳動桿各支點反力

圖3 傳動桿應力云圖

將求得的各支點反力施加到橋式起重機吊架上，計算吊架的變形和應力，考核橋式起重機吊架的剛度和強度。橋式起重機吊架的物理特性如表2所示。

表2 吊架物理特性

在對到橋式起重機吊架施加邊界條件時，應考慮配電柜重量約150 kg，吊架的邊界條件如圖4所示。

圖4 橋式起重機吊架邊界條件

橋式起重機吊架受載后變形及應力云圖如圖5和圖6所示。

圖5 橋式起重機吊架變形云圖

圖6 橋式起重機吊架應力云圖

為安全起見，取橋式起重機吊架應力安全系數為3，則吊架許用應力為78.33 MPa，根據材料手冊查得，吊車梁的許用撓度為18.4 mm。由圖5和圖6可知，橋式起重機吊架受載后的最大變形為1.012 mm＜18.4 mm，最大應力為11.86 MPa＜78.33 MPa，滿足強度和剛度要求，有較大的安全富裕度，可進行適當優化。

圖7 優化后橋式起重機吊架變形云圖

圖8 優化后橋式起重機吊架應力云圖

將橋式起重機吊架厚度優化為4mm，考核吊架的剛度和強度，圖7、圖8所示分別為優化后的吊架變形和應力云圖。

圖9 橋式起重機吊架1～4階振型圖

由圖7和圖8可知，橋式起重機吊架受載后的最大變形為8.499 mm＜18.4 mm，最大應力為32.818 MPa＜78.33 MPa，滿足強度和剛度要求。由此可看出，通過傳統手段設計出的橋式起重機吊架存在較大安全富裕度，造成了一定的資源浪費，通過有限單元法優化的橋式起重機吊架滿足強度和剛度要求，較充分地利用了資源，節約了成本。

3 橋式起重機吊架模態分析

模態分析是用來確定結構的振動特性的一種技術，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數。進行模態分析可以使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動，使工程師認識到結構對于不同類型的動力載荷是如何響應的，有助于在其他動力分析中估算求解控制參數[5]。

模態分析基本理論：令{u }為廣義坐標的矩陣，[K]、[M ]及[C ]為與{u }相對應的剛度矩陣、質量矩陣和阻尼矩陣，{¨}、{}分別為加速度矩陣和速度矩陣。根據達朗貝爾原理，只要在研究對象所受的外力中加入慣性力，就可以像建立靜力學平衡方程那樣去建立動力學方程。多自由度系統有阻尼振動方程如下[6]：

式（1）中{P(t)}為所受外部載荷列陣，因為結構的固有頻率和振型與所受外力{P(t)}無關，而小阻尼對固有頻率和振型影響并不大。因此常用無阻尼自由度振動方程求解結構的頻率和振型，上式簡化為下式[6]：

圖10 優化后橋式起重機吊架1～4階振型圖

表3 橋式起重機吊架優化前后的固有頻率

由式（2）可知，固有頻率由模型的質量和剛度決定。通過數值仿真計算分析，可得到橋式起重機吊架各階振型的固有頻率，圖9所示為橋式起重機吊架1～4階振型圖，表3為優化前后吊架前10階的固有頻率。

計算優化后橋式起重機吊架各階振型的固有頻率，如圖10所示為優化后橋式起重機吊架1～4階振型圖。

通過模態數值仿真計算分析，得到輥壓自動化傳輸設備橋式起重機吊架的振動特性，可直觀地分析吊架的動態特性，發現薄弱環節，有意識地避開吊架的固有頻率，以免發生共振。

4 結論

本文以輥壓自動化傳輸設備橋式起重機吊架為研究對象，針對通過傳統設計方法設計出的橋式起重機吊架，采用有限單元法對吊架進行強度和剛度考核，并進行模態分析，得到結論主要如下：

（1）通過傳統手段設計出的橋式起重機吊架滿足強度和剛度要求，但存在較大安全富裕度，造成了一定的資源浪費；

（2）采用有限單元法優化后的橋式起重機吊架滿足強度和剛度要求，較充分地利用了資源，節約了成本；

（3）通過對橋式起重機吊架模態分析，可得到吊架的振動特性，直觀地分析吊架的動態特性，發現薄弱環節，有意識地避開吊架的固有頻率，以免發生共振。

［1］張銳.自動化流水線設備管理探索［D］.上海：復旦大學，2007.

［2］付海波.基于RFID的天車防碰系統的研究與設計［D］.武漢：武漢理工大學，2009.

［3］張朝暉.ANSYS11.0結構分析工程應用實例詳解［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［4］李家寶.結構力學［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］周長城，胡仁喜，熊文波.ANSYS11.0基礎與典型范例［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［6］肖鋒，陳君若，劉顯茜.基于ANSYS酌高速輪盤動力學模態分析［J］.制造業信息化，2008（2）：136-137.

Study on Mechanical Properties of Bridge Crane Hanger of Roller Pressure Automatic Transmission Equipment

JIN Liang-bin
（No.710 Research and Development Institute，CSIC.，Yichang443003，China）

In this paper，bridge crane hanger of roller pressure automatic transmission equipment is studied.Aiming at the bridge crane hanger designed with traditional method，strength and stiffness analysis of hanger are carried out with finite element method.Then modal analysis is also accomplished.According to the results of strength and stiffness analysis，it is noticed that the hanger designed with traditional methods has larger safety allowance.This will result in a wasteful use of resources.Therefore，optimization design is needed for the hanger.The dynamic characteristics of hanger are analyzed with modal analysis.Then the weak link is found.In order to avoid resonance，it is consciously to keep the exciting frequency away from natural frequency of hanger.

bridge crane；finite element method；stiffness analysis；strength analysis；modal analysis；natural frequency

TH122

A

1009－9492(2014)03－0019－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.006

金梁斌，男，1985年生，浙江金華人，大學本科，工程師。研究領域：機械設計及仿真技術。已發表論文5篇。

(編輯：阮 毅)

2013－09－05