摘要：当前，轻型起重机竞争越来越激烈，客户对其要求也越来越高，因此，在满足设计要求的前提下，悬臂机构也在不断进行合理优化，以使结构更加轻巧，外观更加美观，生产成本有效降低，从而在市场上更加具有竞争力。为进一步了解悬臂的发展和优化过程，对其经历的几个阶段进行了分析和总结。

关键词：起重机;悬臂;铝轨;不锈钢;机械手

0    引言

起重机是一种通过起升和移动所吊运的物品完成搬运作业的机械，又称为“吊车”。其工作特点是做间歇性运动，即在一个工作循环中完成取料、移动、卸载等动作。中国古代灌溉农田用的桔槔就是臂架型起重机的雏形，发展至今，对于各种类型的起重机国家都出台了相应的标准，可以说是相当完善了。目前起重机行业日渐繁盛，逐渐被更多的人所关注，发展也越来越迅速，现在中国是世界上最大的起重机市场。

随着设计软件和计算方法的不断优化，各种有限元分析方法的普及，起重机已经从当年的“傻大粗”逐渐向“轻小细”转变，现在我们要求起重机降低外形高度、简化结构、减轻自重，这样可以降低建筑物的高度，使建筑结构轻型化，节约厂房建造成本。起重机除了向轻小型发展外，还在向模块化、系列化发展，这样不仅仅可以提高机构、部件和零件之间的匹配性，还能缩短起重机的生产周期，并且可以达到快速更换零件的效果。

目前比较高端的要属智能起重机，这种新型起重机可以自动找重物重心，自动抓取货物，自动完成重物在产品线的运送，目前其主要的研究方向在于安全监控和故障诊断、精确定位和智能防摆、遥控技术、智能防撞以及机器人化。智能起重机可以在一些危险系数高的工况下代替人来完成工作，其不仅可以提高工作效率，而且可以减少安全事故。

本文以悬臂吊为例，先整体做个介绍，然后以悬臂为主要介绍方向，分析它如何一步步地进行优化，如何向轻小型发展，如何使结构更加合理，使用更加方便，从而在市场上具备更强的竞争力。

1    悬臂吊概述

悬臂吊属于轻型起重机系列，设计制造遵循行业标准《悬臂起重机》（JB/T 8906—2014），结构比较简单，由立柱、悬臂、回转机构、起重机构以及电气元件构成。市场上一般悬臂吊的立柱主体都采用圆管、方管或者H型钢，悬臂的结构形式就比较多样化了，这主要是为了满足客户多方面的需求，回转机构大都使用轴承进行工作，市面上很多产品都使用电动葫芦或者气动葫芦作为起重机构，电气元件是为了保证设备能够正常运作，悬臂吊的固定通常采用预埋基础或者大底板实现。

2    悬臂发展的初级阶段

刚开始悬臂吊都是仿照苏联的设计，当时国内主要都是以工字钢为主梁，由于工字钢的特性，宽度比较小，导致其水平惯性矩都比较小，所以当设备有较大水平力的时候就会有很大的水平偏移，也就是设备使用过程中的抖动比较大。还有一点就是，工字钢的宽度较小会导致葫芦行走时局部应力比较大，容易造成应力超过许用应力，设备存在危险，这类悬臂就需要进行翼缘的局部加强。尽管存在这样的不足，但由于工字钢是市面上的常用型材，采购比较方便，相比于非常规型材的生产，采用工字钢可以缩短设备的制作周期。

针对工字钢水平惯性矩比较弱的缺点，此类悬臂吊发展出了一种工字钢包梁，如图1所示，它由U型梁、侧板、工字钢三部分组成，从结构就可以看出，设计者可以通过控制包梁高度控制垂直惯性矩，通过控制包梁的宽度来控制水平惯性矩，这样我们就可以设计较大规格的悬臂吊。

包梁确实可以使设备的使用范围增大，但是我们设计包梁的时候通常会在靠近立柱的那侧设计一个强有力的支撑板用来改善受力，由于此支撑板的存在我们的内盲区（靠近支撑板那侧）就会偏大，导致葫芦的运动范围变小，并且此包梁还有两个我们不得不考虑的问题：一个是包梁的制作工艺比较复杂，焊接长度更长，工艺更加繁琐，需要保证的制作尺寸更多;另外一个就是包梁组成部分较多，重量也就大，设备就会显得更加笨重。

针对这些我们设计了桁架式结构，如图2所示，其属于斜拉式结构，上部分的斜拉可以很好地减少悬臂的整体变形，并且对改善应力也有很大的帮助，但是上部分这种结构在悬臂中间增加了很多斜撑，此部分属于力学结构中的超静定结构，计算比较复杂，如果每次设计都进行如此大量的计算，很明显不合适，所以就需要用合适的工具进行优化。这种结构很明显悬臂重量大大减轻，看起来轻巧得多，而且受力也好很多，但这种结构由于主体还是采用的工字钢，并且还是小规格的，因此还是会存在水平方向受力比较弱的缺陷。再者，它属于斜拉式结构，这种结构做出来的设备，同等起升高度下总高会比下支撑的要高出不少，所以是否采用这种结构，对于现场高度存在限制的工况要慎重考虑。

3    悬臂发展的第二阶段

由于工字钢宽度较小的特性，我们急需在市场上找到一个替代的产品，我们发现H型钢种类更多，并且H型钢下翼缘的可选性更大，它不仅形状更加规则，而且下翼缘的厚度也厚得多，葫芦小车行走时不容易发生应力集中，设备的安全性也更高。另外，以前使用的工字钢包梁也完全被摒弃，改而采用全新的欧式箱型结构，如图3所示。

与传统的包梁比较，箱型结构具有以下特点：结构非常简单，就是由4块板材拼接而成，自重轻，4块板材全部采用国内通用板材，材料利用率高，可采用半自动焊接，焊接效率高，焊道更加工整美观，但是箱型梁不像H型钢或者工字钢是一次成型，属于焊接而成，因此会存在板材平面翘曲，导致主梁弯曲过大或者弯曲过小，故而其对焊接工艺和焊接经验要求都会比较高一些，但是从成品来看箱型结构比起包梁结构还是很有竞争优势的。

对于桁架式结构我们也可以进行改进，在起重量不大、臂长不长的情况下，悬臂直接用一个斜拉杆就可以起到相应的支撑作用。老式的那种桁架式结构，我们可以用Ansys有限元软件进行分析，对于图4所示两根斜拉杆的结构和图2所示的老式结构，两者分析下来可以发现悬臂的变形量相差很小，应力差得也不多，而老式结构可能会存在应力集中现象，并且老式结构由于支撑都是用槽钢制作，边角很多位置焊接不易，容易产生飞溅，焊道不美观，新式结构的斜拉杆都是用扁鐵制作，属于直线焊缝，焊接难度低，焊缝质量容易保证，但是这种结构还是不可避免地存在同等起升高度设备总高偏高的现象。

4    悬臂发展的第三阶段

随着近阶段汽车行业与食品行业的发展，客户对于设备的清洁度要求进一步提高，对铝合金及不锈钢材料的需求也在慢慢增加，悬臂材质已经从铁向铝或不锈钢慢慢转变，虽然说悬臂主体是铝型材，但是悬臂上还是会有一部分铁件存在，这样就不能采用焊接工艺了，此状态下的悬臂不管是下支撑的还是斜拉式的，都会采用销轴或者螺栓进行连接。我们所指的铝型材不是常规的铝方管，而是某些厂家特地定制的铝轨道，此轨道两侧都有相应的凹槽（图5），并且轨道下部分是开口的，以便小车在其中行走，葫芦也可以很方便地挂于小车之上。铝型材和小车塑料车轮的摩擦系数特别低，因此行走的摩擦力特别小，使用起来特别轻巧，小车在悬臂中行走的噪声更小，使用寿命更长。

常规意义的斜拉由于都是焊接成型的，因此如果悬臂上翘或者下垂得比较厉害，行走在轨道上的小车就容易溜车，焊接式的懸臂为了保证不溜车通常会专门设计一套焊接工装来保证尺寸。而铝轨系列斜拉杆（图6）是由型材与丝杆组合而成，这种组合可以通过丝杆调节斜拉杆的长度，可以更好地保证设备最终安装完毕之后悬臂的水平。但是由于这种机构比较复杂，有较多的加工件，因此从成本上来说还是较高的，不过其使用体验肯定要好得多。

5    悬臂发展的第四阶段

目前随着客户需求的变化，更多种类的悬臂衍生了出来，比如折臂式的悬臂，此类结构不用的时候可以折叠收纳，节省空间;比如钢丝绳葫芦的后置悬臂，这种结构可以减小悬臂型材的型号，结构更加轻巧，成本更低;还有伸缩式的悬臂，这种结构更加复杂。除了电动葫芦与悬臂的组合，越来越多的客户开始使用气动葫芦或者气动平衡吊，还有各种智能悬臂可以满足不同客户的不同需求。针对汽车生产线自动化要求特别高的情况，悬臂衍生了一个特殊分支——机械手，此类悬臂可以满足客户的各种自动化要求，基本上可以做到一个指令完成一整套动作，实现无人化生产。

6    结语

针对常规轻型起重机中的悬臂吊，本文着重对悬臂的发展和优化历程进行了介绍，其实悬臂的发展过程也就是我们对其不断进行优化的一个过程，其一步一步地从“傻大粗”逐步向“轻小细”转换，设备可以实现的功能也越来越多，可以更多地满足不同客户的不同需求。智能化是将来设备发展的必然趋势，悬臂也必然要往这个方向发展，只有满足客户的需求，符合市场发展规律，做出结构更加轻巧、价格更加低廉的设备，才能顺应时代的潮流，更加具有竞争力，不被市场所淘汰。

收稿日期：2020-03-23

作者简介：季彬（1986—），男，江苏泰州人，工程师，研究方向：机械设计制造。