李万国
上海振华重工（集团）张家港港机有限公司 江苏张家港 215633
摘要：在工业化发展水平不断提高的背景下，起重机成为工业生产中物料搬运的重要工具。本文基于门式起重机制造工艺流程，对工艺优化设计进行深入分析，明确门式起重机门架结构、大车行走部分的制造工艺优化要点，然后结合实际情况提出一些有针对性的工艺优化策略，以期降低门式起重机的焊接内应力，实现提高生产效率的目标。
关键词：门式起重机；制造工艺；门架结构；大车行走
前言：门式起重机具有移动便捷、组织迅速、操作运输灵活等特点，在工业生产中扮演着重要角色。由于传统的门式起重机已经无法满足现代工业生产的需求，亟需基于原有的制造工艺流程，探究制造门式起重机的优化设计方法与策略，以此保证堆场工艺方式更加科学，对缩短生产周期、提高运输效率、实现降本增效具有十分重要的现实意义。
1门式起重机制造工艺流程
按照门式结构可将起重机划分为全门式、半门式等多种类型起重机；按照主梁结构可将起重机划分为双梁桥式、单主梁门式等多种类型起重机。因不同类型起重机具有各自特点与优势，在大范围生产、极端环境中仍具备较强的装卸货物的能力。门式起重机制造工艺流程为：工件准备→焊接件、铸件、锻件→机械加工→部件装配→试组装→出厂检验。首先，在骨架能够实现一般性工作的基础上，对其工作机构进行加工，以此实现载荷的传递与货物的转移、搬运、提升。其次，对门式起重机的控制结构实施制造工艺，以此完成各种生产动作。最后，对起重机的电气房、司机室、限位开关等安全保护装置进行加工制造，然后将各类部件组装在一起进行出厂检验，从而完成门式起重机的制造流程。
2门式起重机制造工艺优化设计
传统的门式起重机时常出现制动装置故障、减速器故障、运行机构等故障，进而严重影响门式起重机的生产质量。例如，制动装置故障主要是由于制动轮存在油污、主弹簧损坏或报废、制动瓦衬与制动轮间隙过大造成的，进而会严重影响起重机制动部分的性能[1]。因此，为满足现代工业生产需求，需要对门式起重机制造工艺优化方法与策略进行分析，对优化研究进行反复试验后，才能够保证门式起重机制造工艺设计的合理性与可行性。
2.1优化设计方法
现阶段，对门式起重机制造工艺展开优化设计过程中，多采用零阶方法、一阶方法进行有限元拟合。其中，零阶方法可将优化设计中的约束条件转换为非约束条件，根据设计变量与目标函数构建出的关系式实现变量向结果的逼近。当计算机虚拟软件中给出的数据准确度越高，代表动态分析结果与实际情况越符合。一阶方法则是利用线搜索法最小化优化设计中的非约束问题。自迭代组数越多，代表模型求解越精确，最终实现计算时间与精度的均衡变化，为门式起重机结构优化提供可行的依据。
2.2优化设计参数
优化设计参数包括设计变量的优化、状态变量的优化、目标函数的优化。其中，设计变量包括截面尺寸、构件长度以及起重机部分位置的坐标值、惯性矩、应力等。要求设计人员结合以往经验对设计连续与离散两种类型的设计变量进行调整，然后运用常规的方法求出优化设计的最优解。状态变量的优化主要表现在约束条件与非约束条件两个方面上，根据条件的表达形式存在一定差异，又可将约束条件表示为性能约束、边界约束两大类型，使得各项性能指标与变量的取值范围均与设计方案的优化价值相符，进而降低门式起重机制造工艺优化过程中不合理参数取值问题的出现，优化方案的自动实施奠定坚实基础。目标函数的优化主要是根据设计指标全面分析方案的优势与劣势，目标函数可以是功能、产量、重量等。在进行优化设计过程中，目标函数越多代表设计最终拥有的效果越精确，优化后的设计也在实际生产中的适用性便越强。
2.3优化设计计算
优化设计计算包括以下几点：第一，固定载荷的计算。主要是利用梁的高度、钢材密度、构造系数计算出门式主梁结构的均布载荷。第二，惯性载荷的计算。惯性载荷是指大车结构在运行时的惯性所产生的作用力，利用动力载荷系数、大车制动平均加速度计算出惯性载荷。第三，扭转载荷的计算。利用门式起重机两端机电设备重力产生的外扭矩、集中扭矩、总扭矩载荷计算出起重机的扭转载荷。各类载荷的精准计算，为进一步分析起重机工作中产生的载荷应力的精准分析奠定坚实基础。完成优化设计计算之后，利用门式起重机的钢结构强度、结构刚度对各受力阶段的外力作用进行分析，从而明确门式起重机抵抗变形的能力[2]。
2.4优化设计流程
2.4.1门架结构制造工艺研究
门架结构制造工艺包括主梁节段、刚性支腿、柔性支腿的制造工艺。其中，主梁节段制造工艺的优化，主要是解决控制盖腹板单元对接焊接变形严重的问题。关键工艺为：一，倒装法拼装盖板，保证底板、顶板有一定弧线。二，匹配、组装分段制造的起重机整体。三，采用分阶段形式控制门式结构主梁拱度，利用不停后的垫层调整小车连续行走的轨道。然后，焊接两个梯形箱梁、刚性支腿接头与中间横梁，保证主梁节段统一。
刚性支腿制造工艺包括下横梁、一节段与二节段支腿。采用法兰止口对每个刚性支腿节段的螺栓进行连接固定，以此控制焊接变形量，并在完成焊接后，对横梁、主梁以及结构两端的连接面进行划线，为接下来的制造工艺做好铺垫。在进行下横梁焊接作业时，对于15-20mm厚度范围内的钢板，应在双面坡口处开30°的焊接对接口，以此保证起重机制造质量。
柔性支腿主要是由下横梁、撑杆与接头组成。其中，撑杆、下横梁、上接头应单独制造，并确保划线加工部位能够有效连接，运用柔性铰加工横梁连接面。由于起重机的门式结构主梁较长，应以划出隔板外侧的分段圆管为基准，在隔板翻转90度之后，对构件两端的焊缝进行组合焊接，注意控制刚性固定码板的高度，使得上接头拼装焊接工作有效完成。
2.4.2大车行走制造工艺研
门式起重机的大车行走结构由均衡梁及支座、行台车、哈夫铰组成。一方面，对梁支座制造工艺进行优化。门式起重机的梁支座包括二级、三级、四级三种均衡梁及支座，提料时应增加4-6mm的顶板加工余量，早加劲板铣边流出5mm的余量，按照划线分别安装立板与加劲板，然后进行定位焊。拼装箱梁时，应将不同层级的均衡梁铺设在盖板单元上，平焊在立焊之后进行，注意上下盖板单元、隔板单元的组合特点，在腹板的轴孔处以及支座轴孔划线出执行镗制措施，使得隔板、上下盖板单元有效拼装在一起。此过程可使用精密的数控仪器进行切割。另一方面，哈夫铰的制作工艺优化[3]。确保铰座与台车架定位精准的前提下，根据四级均衡梁及支座定位并安装上下平面，注意切割时应留出加工余量。焊接铺设在上盖板处的隔板、腹板，使得哈夫铰与车架能够焊接为一个整体之后，在轴孔的半圆板处以及车轮轴承的螺栓孔处进行配钻，充分利用双面破口与单面破口。
2.5iSIGHT优化分析
iSIGHT软件本身具有较强的开放性与包容性，提供的功能强大的用户界面为门式起重机制造工艺的进一步优化提供许多可视化的图形，在对门式起重机制造工艺流程以及优化设计的分析与思考后，利用iSIGHT软件探究优化设计方案的可行性与合理性，使得理论与实践能够有效结合在一起。在对制造工艺进行优化分析的过程中，发现制动装置、减速器、运行结构等会引发起重机出现不同类型的故障问题，应实时追踪各故障问题的情况，然后结合监控及结果对优化设计结果进行进一步的优化与完善，以此解决起重机制造工艺中存在的线性化问题。iSIGHT提供的方法有全局探索优化法、数值优化法、启发式优化法等多种方法，有利于多目标、多准则制造方案实用效果的增强。
3制造工艺优化策略
3.1门架结构优化
双梁龙门架作为门式起重机的重要结构形式，在轨道式门式起重机的制造中发挥着重要作用。通过对双梁龙门架各类载荷计算之后，明确了悬臂的预拱度、跨梁中长度等数据信息。其中，悬臂的预拱度需采用切线法对门腿支撑点的原点进行精准设定，然后对悬臂的外端、各工作点进行设定，以此完成悬臂预拱度的有限元分析，有利于门式起重机主跨梁垂直刚度与水平刚度的增强。此外，对门架结构进行优化的过程中，应注意电动机功率的控制，以此为悬臂有效提供足够的动力，使得原始门梁结构得到进一步优化。真正实现作业水平提升的目标。
3.2吊臂优化
吊臂作为在门式起重机的正常运行中扮演着至关重要的角色，由于传统制造工艺下的悬臂受到外界影响会产生较大程度的波动，进而严重影响起重机的安全性能。因此，对起重机吊臂结构进行优化设计的过程中，通常会根据有限元分析结果，将制造工艺的重点放在吊臂减摇技术的运用上，以此破解悬臂剧烈摇摆的问题。经过分析与试验后，发现电动机会影响起重机钢丝绳的斜拉力，基于这种情况，将小车与平行位置、垂直位置所形成的的角度作为减摇技术使用的摆角，并缓解集装箱运输产生的摇摆力。当摆角越大时，综合多种数据分析得到的斜拉角度、吊重质量参数之间的关联公式，是提高门式起重机吊臂运行稳定性的重要保障。在实际生产中，技术人员应定期更换门式起重机的钢丝绳，避免绳子过长、使用年限较低、固定不牢固的钢丝绳影响吊臂的工作状态，进而保证小车或是大车能够安全稳定运行，实现门式起重机制造工艺的优化目标。
3.3应用变频控制技术
3.3.1控制措施中变频技术的应用
运用变频技术对门式起重机控制措施进行改造之后，可有效提升设备整体的运行效率与水平。在起重机执行提拉动作时，变频技术可将实时监控数据传输到远程控制端，进而推进起重机智能化、数字化发展进程。在门式在起重机的电气系统中安装变频设备后，PLC控制系统会发送、接收系统指令，根据电磁信号判断起重机的自动化工作状态，当电动机运行设定数值之后，变频控制系统便会根据设备运行需要发送出相应的有关力矩大小的指令，从而达到起升力矩的目的。自动化的运行指令可有效提高设备的控制效率，并有效避免设备安全事故的发生几率，一旦出现意外故障便会让启动控制器抱闸，处理完故障问题后，设备又会恢复到正常的工作状态，极大地提高生产效率[4]。
3.3.2保护措施中变频技术的应用
门式起重机的保护措施是指门式结构中的上升限位、下降限位保护以及超载保护。将变频技术应用于保护措施结构中，上升限位、下降限位的开关若处于保持动作位置，则二部分便会停止上升或是停止下降，最终会过渡到正常工作状态。由于门式起重机的起升机构与各保护措施之间具有一定的相似性。PLC控制系统在发出相应的控制指令后，能够对设备的限位负荷进行有效控制，从而避免门式起重机出现超载问题，保障生产的安全可靠性。
结论：综上所述，为进一步提高门式起重机结构质量，技术人员应从根本上明确门式起重机的制造工艺特点，积极运用有限元分析各工艺部分的优化要点，注重先进技术、理念的应用，切实加强大车行走、门架结构制造工艺的优化水平，为实现起重机降本增效、安全可靠操作奠定坚实基础。
参考文献：
[1]沈兰华,范开英,任师道.桁架门式起重机制作关键技术研究[J].建筑机械化,2020,41(12):56-59.
[2]肖妙武,常东辉,琚超,等.装配式钢管混凝土门式起重机基础设计与施工[J].施工技术,2020,49(S1):540-542.
[3]梁大伟.轨道式集装箱门式起重机技术特点及设计创新[J].中国设备工程,2018(15):174-175.
[4]王培芹,丁情信,姜云春,等.双梁桥式起重机结构设计和优化分析[J].南方农机,2020,51(15):25-27.