【摘要】本文结合起重机产业的实际需求，对国内门式起重机普遍存在的质量偏重、成本较高、材料消耗较多的特点，提出以成熟商业软件为工具，以二次开发为手段，对门式起重机进行参数化有限元分析和优化设计。
【关键词】门式起重机 优化设计 有限元方法 ANSYS
门式起重机是一种在露天物料搬运工作中广泛釆用的大型装卸机械，被应用于航空工业、冶金、机械加工等诸多生产领域。在实际的设计过程中，由于设计结构的复杂性，不可避免的会出现结构受力不均匀的现象。为了使广大设计人员尽快的从繁忙的结构设计中解脱出来，本文使用有限元软件 ANSYS 对门式起重机进行结构设计，并且对起重机进行结构分析，对其薄弱环节进行优化。
一、起重小车优化设计
起重小车是门式起重机的主要部件，对整机的工作性能和制造成本有极其重要的影响。吊钩的材料主要有DG20、DG34CrMo等，对应的强度等级有M、S、T、V五级。采用不同的材料和强度等级，吊钩的质量有较大差异。起重机应优先采用较好的合金材料和较高的强度等级，选用外形小巧，自重较轻的吊钩。
目前我国生产的起重机普遍采用铸造、焊接和高温压模滑轮。滑轮强度和韧性较低，工艺性较差，甚至影响钢丝绳的使用寿命。应优先选用铸型尼龙滑轮，它是一种强度高、刚性好、比重小、耐磨、抗腐蚀、易于加工成型、价格便宜的工程塑料，门式起重机采用高强度的铸型尼龙不仅可以延长滑轮和钢丝绳的使用寿命，而且还能降低噪声，减轻小车重量，改善起重机的整机性能。
传统的起升机构大多采用电动机、制动器、减速器、卷筒、滑轮组等几个部件组成的驱动型式，体积大、质量大、安装要求高。对于小吨位门式起重机优先采用电动葫芦式起升机构。这种电动葫芦式起升机构独立成套，便于模块化成组生产，并具有体积小、重量轻、传动效率高、结构紧凑、安装简便等特点。
起量16t以上的起重机大多带有副起升机构，用以起吊较轻的货物或作辅助性工作，以提高工作效率。目前副起升机构大多采用与主起升机构相同的驱动形式，体积较大、成本也高、使小车架相应复杂，对A1-A5工作级别的起重机，如采用电动葫芦作为副起升机构，不但能非常方便地安装在小车架上，并可大大减轻机构重量，缩小车架尺寸，提高起重机使用场地的利用率。但对工作级别较高的起重机，不宜采用电动葫芦作为副起升机构。
当前我国生产的标准起重小车的车架过于保守，设计安装在小车架上的主、副起升机构以及运行机构布置松散，致使小车架外形尺寸偏大、成本高、焊接工艺性差、重量偏重。对于小吨位的门式起重机，将小车架设计成由一根横梁和两根端梁组成的H型三梁结构。横梁置于两端梁跨中，用螺栓及销轴将主、副起升机构分别固定于两侧；两纵梁端部做出轴孔与轴承座，用以安装小车主、被动车轮组；小车运行机构减速器横卧安装于纵梁内侧。小车架的横梁和纵梁可采用钢板冲压成“匚”型后再盖以一钢板焊成箱形，横梁一端用紧固螺栓与纵梁连接，另一端与另一纵梁铰接，允许它们之间有微小的相对转动。这种结构形式既保证了小车轮在任何正常工况下都能与钢轨接触，同时也降低了车架的制造精度要求。
二、运行机构的优化设计
车轮采用强度等级更高的材料，减小车轮直径。运行机构均采用“三合一”的驱动方式即电动机、制动器和减速器合并组装成一个部件，可使运行机构非常紧凑、体积减小、质量减轻、并能与标准车轮组配套。该装置通过一个固定铰支座与车架相连接，输出端采用花键与车轮轴相联，安装调试十分方便，受车架变形影响也小。减速器壳体以焊代铸，可有效减轻自重。减速器齿轮采用硬齿面，以减小体积，提高承载能力，增加使用寿命。
三、金属结构的优化设计
起重机金属结构约占整机成本的1/3，重量的40%-70%。由于起重机是移动的，减轻自重，不但可以节约材料成本，而且也相应地减轻了机构的负荷和承载结构的造价。优先采用低合金高强度结构钢制造起重机金属结构强度高，质量轻，有效地减轻了结构自重。《起重机设计规范》GB/T3811-2018考虑到各机构控制系统的特性，在安全可靠和保证性能的前提下，放宽了起重机静、动态刚性的要求，这对减轻起重机自重，使起重机设计得更为经济合理创造了条件。结构方面可以采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。门架可采用箱形四梁结构，主梁与端梁采用高强度螺栓联接，便于加工、运输与安装。
四、优化设计方法
有限元方法就是将一个复杂形状的结构体划分为有限个结点相互连接的小单元，然后再利用弹性力学和数学的知识来对各单元的假设近似函数进行逼近求解，直到逼近到求解域上的未知函数。这些被连续划分出来的单元可以有不同的形状和不同的连接方式组成等，所以使用有限元法很容易分析几何形状比较复杂的结构。有限元方法计算的力学基础是弹性力学，其弹性力学主要是通过应用固体力学方程求解的原理，就是通过采用加权残值法和泛函极值的原理。其主要使用的方法是数值离散技术。有限元计算主要的技术载体是通过有限元分析软件ANSYS。例如，对桥式起重机小车车架的设计计算，传统方法是将其分解为主梁和纵梁两部分，并简化为简支梁计算，精确度不高，安全系数过大。采用有限元法，可将小车架作为一个整体框架计算，并可分别进行静力和动力学分析，给出结构整体全面的应力值，从而为优化设计和轻量化设计奠定基础。
结束语
起重机械的设计是否合理对于企业的安全生产和减少事故起着至关重要的作用。门式起重机的优化设计可以保证起重机的工作性能，促进整机轻量化，降低生产成本，提高起重机的设计质量和设计人员工作效率，提高企业的经济效益，因此具有重要的意义。
参考文献：
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