钟 明 李 虎 朱陈嘉
上海振华重工(集团)股份有限公司
摘 要：通过有限元法获得某岸边集装箱起重机起升减速器箱体的分析数据，针对原方案分析结果中存在的强度和刚度问题，提出4种改进方案，通过改变加强筋的数量和位置，优化起升减速器箱体的受力特性，提高其强度和刚度。
关键词：起升减速器箱体； 有限元法； 强度和刚度； 改进方案
岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)是码头集装箱装卸作业的专用起重机。其起升机构的作用是实现集装箱升降运动，是岸桥最主要的工作机构。起升减速器是电机和卷筒之间的独立传动部件，是起升机构最重要的零部件[1]。结构合理的减速器应具有外廓尺寸小，质量轻，承载能力大，具有足够的强度和刚度等特点[2-3]。由于箱体所承受的载荷复杂而不均匀[4]，如果依靠制造物理样机试验的方法来校验其刚度和强度，将浪费大量的人力、物力和财力。
本文运用三维造型和有限元分析相结合的方法对某大型岸边集装箱起重机起升机构减速器箱体进行受力分析，针对箱体分析结果中存在的结构问题，提出改进方案，并通过比选选出最优改进方案。
2.1 模型建立
建立准确的几何实体模型，是获得正确分析结果的必要条件。选取某大型岸桥起升机构减速器箱体为研究对象，运用建模软件建立减速器箱体实体模型，通过软件数据接口将模型导入到有限元软件中(见图1)。
图1 箱体模型
2.2 边界和载荷施加
(1)定义材料属性：箱体材料密度ρ=7.85e3 kg/m3，弹性模量E=2.07e5 MPa，泊松比μ=0.3。
(2)通过分析箱体的受力情况，根据实际工况，对箱体地脚螺栓孔的自由度进行固定约束，使其在x、y和z方向均不能产生位移和旋转。
(3)根据箱体各轴承孔放置轴承的实际空间位置，在箱体各轴承孔的实际受力位置施加面域载荷，载荷类型为减速器工作过程中所承受的矢量轴承载荷(包括工作过程中的啮合力、内部零件自身的重力和外部的附加径向载荷等)。
2.3 有限元分析
在完成边界条件、载荷施加和网格划分后，设置合适的分析步即可进行有限元分析求解，获得箱体的受力分析结果。图2和图3分别是箱体受载后的等效应力和变形分布云图。
图2 箱体应力分布云图
图3 箱体变形分布云图
由图2、图3可知，箱体所受最大应力位于上箱体输出轴附近的加强筋和上侧壁焊接处，数值约为275.1 MPa，超出了材料的屈服极限σs=235 MPa，无法满足设计要求；上箱体第三轴承孔处的加强筋与上侧壁焊接处应力也很大，数值约为229 MPa，接近于材料的屈服极限，需要改进；第三轴承孔处下箱体侧壁应力数值约为104 MPa。最大变形量位于上箱体2个视孔窗之间，数值约为0.477 mm；第三轴承孔和输出轴轴承孔附近变形也较大，最大数值约为0.352 mm。大的变形量将导致齿轮在啮合过程中的轴线不平行，轴承不对中等问题，大大降低减速器的使用寿命，引起机构噪声和振动。作为起升机构的关键零部件，这些问题对岸桥的正常运行产生了很多不确定因素和安全隐患。
针对原方案存在的强度和刚度问题，提出如下改进方案：
方案1：增大上箱体2个视孔窗之间的距离。
方案2：上箱体第三轴承孔和输出端轴承孔处的单加强筋改为双加强筋。
方案3：上、下箱体内部的第三轴承孔附近增加轴向加强筋。
方案1的等效应力和变形结果分布云图见图4和图5。由图4、图5可知，与原方案相比，方案1的最大应力值略有降低，由原来的275.1 MPa减少到257.7 MPa，减少了6.3%，最大应力位置没有发生变化，仍位于上箱体输出轴附近的加强筋和上侧壁焊接处。箱体的最大变形量为0.509 mm，较原方案的0.477 mm增加了6.7%，最大变形位置和原方案相同，位于上箱体2个视孔窗之间。这是由于低速端的视孔窗外移，增加了输出端上箱体的强度和刚度，但是降低了上箱体中间部位的刚度。通过分析可知，方案1并不能很好的改善减速器上箱体变形过大的问题。
图4 方案1箱体应力分布云图
图5 方案1箱体变形分布云图
图6和图7是方案2的等效应力和变形结果分布云图。方案2的最大应力值由原方案的275.1 MPa降至226.4 MPa，减少了17.7%，最大应力位置位于上箱体输出轴附近的加强筋和上侧壁焊接处。箱体的最大变形量为0.446 mm，较原方案的0.477 mm减少了6.5%，位置仍位于上箱体两个视孔窗之间。由以上分析可知，方案2通过将上箱体第三轴承孔和输出端轴承孔的单加强筋改为双加强筋，可以提高减速器箱体的强度和刚度，特别是改进了后两级轴承孔变形量过大的刚度问题。
图6 方案2箱体应力分布云图
图7 方案2箱体变形分布云图
图8和图9是方案3的等效应力和变形结果分布云图。方案3的最大应力值由原方案的275.1 MPa降至222.6 MPa，减少了19.1%，最大应力位置位于上箱体输出轴附近的加强筋和上侧壁焊接处。箱体的最大变形量为0.347 mm，位置位于上箱体输出轴附近的加强筋外侧。两视孔窗之间的箱体变形量由原方案的0.477 mm降至0.224 mm，降低了53%。通过分析可知，方案3提高了减速器箱体的强度和刚度，特别是上箱体两视孔窗之间的变形量较原方案有明显降低，改善了两视孔窗附近变形量过大的刚度问题。
图8 方案3箱体应力分布云图
图9 方案3箱体变形分布云图
基于以上3种方案的分析结果，为了获得更加优化的减速器箱体结构，将方案2和方案3结合起来，即在方案2的基础上增加箱体内部轴向加强筋，形成新的设计方案4。设计方案4的箱体等效应力和变形分析云图见图10、图11。
图10 方案4箱体应力分布云图
图11 方案4箱体变形分布云图
由方案4的分析结果可知，最大应力值是188.8 MPa，较原方案的275.1 MPa减少了31.4%，位置位于上箱体输出轴附近的加强筋和上侧壁焊接处。箱体的最大变形量为0.324 mm，位于输出端上箱体视孔窗附近。上箱体两视孔窗之间的变形量约为0.184 mm，较原方案的0.477 mm降低61.4%。与原方案、方案1、方案2和方案3相比，方案4中的箱体应力和变形都有了显著降低，受力状况得到优化，较好地解决了减速器箱体局部应力和变形过大的问题，提高了箱体的强度和刚度。
岸桥起升机构减速器具有使用频繁，工况恶劣，寿命要求高等特点，传统设计方法难以把握其强度和变形机理，给设计带来了困难。基于三维建模和有限元分析相结合的方式，研究起升机构减速器箱体受力特性，突破了用传统方法获取减速器箱体受力特性困难的瓶颈。针对原方案减速器箱体中存在的问题，提出4种设计优化方案。通过对各方案的分析结果对比可知，在设计允许的范围内，减速器受力较大的后两级轴承孔附近布置双加强筋，并在上、下箱体内部合适位置增加轴向加强筋可以很好的降低箱体应力值和变形量，提高箱体的强度和刚度，优化箱体结构，避免因箱体问题造成起升机构故障和岸桥停机，提高用户的经济效益和满意度。
基于计算机辅助设计的方法不仅可以提高产品设计效率和准确度，缩短产品的研发周期，同时为设计者提供了一种崭新的设计理念。本研究结果对类似问题的解决具有一定的参考价值，并已在多个项目中得到应用和推广，取得良好的实际使用效果。
参 考 文 献：
[1] 蒋国仁. 岸边集装箱起重机[M]. 湖北科学技术出版社,2001:55.
[2] 朱孝录. 齿轮传动设计手册[M]. 北京:化学工业出版社,2005:945-949.
[3] 赵丽娟,刘宏梅. 基于ANSYS的矿用减速器箱体的优化设计[J]. 机械传动，2007，31(4):49-51.
[4] 张展. 机械设计通用手册[M]. 北京:机械工业出版社,2008:1056.
[5] 毕继红,王晖. 工程弹塑性力学[M]. 天津:天津大学出版社,2003.
钟明： 200125，上海市浦东新区东方路3261号C栋307室
Optimization Design of Quayside Crane Hoist Reducer Housing
Zhong Ming Li Hu Zhu Chenjia
Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd.
Abstract：The finite element method was used to obtain the analysis data of quayside crane hoist reducer housing. Four kinds of improvement programs were proposed aiming at the strength and stiffness issues of the original analysis. Through comparison, the analysis results showed that changing the number and position of the ribs can optimize the mechanical characteristics of housing, and improve the strength and stiffness of hoist reducer within the design allowable range.
Key words：hoist reducer housing; finite element method; strength and stiffness; improvement programs
收稿日期：2017-03-15
DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.03.006
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