起重设备电动机支撑架的设计与分析

吴欣宇

（长春理工大学 光电信息学院，长春130114）

0 引 言

电动机作为起重设备中的核心部件，是保证起重设备安全可靠运行的关键，电动机在起重设备工作期间的平稳运行，是衡量设备安全可靠的关键性指标，这也对电动机支撑架的设计提出了很高的要求。电动机支撑架一方面要求体积与质量要尽量小，减少生产成本；另一方面又要求支撑架有足够的强度，保证支撑架的安全可靠；在设备运行过程中，又要避免电动机在工作时产生的振动与支撑架发生振动耦合，产生共振，影响电动机的使用寿命。

针对起重设备电动机支撑架的特殊要求，设计了一种电动机支撑架。该支撑架具有结构简单、易于加工、质量轻、安全性高等特点。本文应用有限元分析软件对其在实际工作中的状态进行了仿真，对其结构进行了拓扑优化，通过静力学与模态分析验证了该支撑架的力学性能，以满足使用要求。

1 电动机支撑架的设计

电动机支撑架作为起重电动机的主要承力点，在设计过程当中要充分考虑其静动力性能要求。根据起重设备的特点，利用SolidWorks 初步设计了起重电动机的支撑架，如图1 所示。该支撑架根据电动机的安装位置，设计成L 形结构，并设计三角型加强筋来保证支撑架的稳定性。支撑架通过侧边4 个螺钉固定于基座，上平台与电动机基座连接，这样既可以节省空间，又可以很好地支撑电动机平稳运行。

拓扑优化一般指形状优化，通过拓扑优化，可以寻找到材料的最佳配置方案，并根据零件特定的载荷条件，确定出最为合理的结构形式[1-2]。设计者可以根据拓扑优化结果去除初步设计模型中冗余的材料，得到最优化的产品结构，以此达到提高材料利用率、节约成本的目的。

采用ANSYS Shape Optimization 拓扑优化模块对支撑架初步设计模型进行优化。支撑架材料为6061 铝合金，将电动机支撑架初步设计模型导入ANSYS 中，建立有限元分析模型，划分网格，并对有限元模型施加载荷及边界条件[3-4]，如图2 所示。

对支撑架电动机安装面施加均布载荷，固定螺钉孔处施加全约束。在目标去除材料比为30%的条件下对有限元模型进行计算，经过多次迭代优化后，拓扑优化结果如图3 所示。结果中，数值0～0.4 为需要去除的材料，0.4～0.6 为过渡材料，0.6～1.0 为需要保留的材料。

图1 支撑架初步模型

图2 电动机支撑架有限元模型

图3 电动机支撑架拓扑优化结果

图4 电动机支撑架最终模型

根据拓扑优化结果，利用SolidWorks 建模软件对初步设计的电动机支架模型进行优化，去除拓扑优化结果中可以去除的材料，优化过渡区域，综合可加工性等因素，最终优化后的电动机支撑架模型如图4 所示。

2 电动机支撑架的静力学分析

静力学分析是指分析结构在特定静力载荷条件下的状态。通过静力学分析，可以掌握结构在静力载荷下的位移、应力等关键参数，验证结构的可使用性及可靠性[5-6]。

根据起重设备的结构，电动机通过支撑架固定于基座之上，电动机输出轴通过联轴器与线轮轴相连，线轮通过线轮座固定于基座之上，如图5 所示。为保证电动机的平稳运行，一方面需要电动机支撑架在竖直方向(Y 方向)上的应力变形尽可能小，保证电动机轴与线轮轴的同轴性。另一方面需要对支撑架进行强度校核，保证电动机支撑架的可靠性。因此需要对支撑架进行静力学分析。

将电动机支撑架导入ANSYS 有限元分析软件，建立有限元分析模型，并划分网格。在支撑架电动机安装面施加竖直向下的均布载荷，安装螺钉孔处施加全约束。通过对电动机支撑架进行静力学求解，得到电动机支撑架模型的变形云图及应力分布云图，如图6 所示。

图5 起重设备结构简图

图6 静力分析结果

由静力学分析结果可知，电动机支撑架最大综合变形为0.009 mm，竖直方向（Y 向）最大变形为0.0002 mm，变形量满足设计要求。支撑架最大应力为9.75 MPa，取安全系数为2，则最大应力为19.5 MPa，远小于6061 铝合金的许用应力，结构安全可靠。

3 电动机支撑架的模态分析

模态分析用于确定结构的固有频率及振型，是动力学分析的基础。通过模态分析，可以掌握所设计结构的各阶固有频率及振型，帮助设计人员更好地了解结构动力学特性，有效避免共振的发生，也可帮助设计人员找出结构中的弱点，进一步优化结构[7]。

电动机作为起重设备的动力源，转子在旋转过程中，随着转速的提升，电动机会发生振动。如果电动机的振动频率与电动机支撑架的固有频率重合或相近时，就会发生振动耦合，产生共振，严重影响电动机的正常运行与寿命。通过模态分析，可以找出电动机支撑架的固有频率，并与激振频率进行校核，当激振频率与电动机支撑架的固有频率重合或者相近时，就需要修改支撑架的结构，避免发生共振[8]。

在电动机支撑架模态分析中，有限元模型的前处理与静力分析完全一致。采用与静力学分析同样的方法对有限元模型进行网格划分、载荷及边界的施加。考虑电动机支撑架工作时的状态，约束方式与载荷大小及方向都与静力学分析一致。计算目标为求取电动机支撑架的前6 阶模态及振型。设置完成后进行模态求解，模态结果如表1 所示，振型结果如图7 所示。

结果表明，电动机支撑架前6 阶固有频率在1774.2～4397.4 Hz 范围内，当激励频率ω 与电动机支撑架的某阶固有频率ωi满足：0.75ωi＜ω＜1.3ωi时，就不会发生共振[9-10]。由于电动机的振动频率在0～18 Hz 范围内，振动频率较低，因此电动机在工作过程中，不会发生共振，设计符合使用要求。

表1 模态分析结果

4 结 论

图7 振型结果

本文根据起重设备的及性能要求，设计了一种电动机支撑架。利用SolidWorks 三维建模软件进行建模，并结合ANSYS 有限元分析软件对电动机支撑架的结构进行拓扑优化，得到电动机支撑架的最优化模型。通过静力学分析，得出电动机支撑架的变形量及应力分布，分析结果完全符合设计要求；通过模态分析，找出电动机支撑架的固有频率及振型，并与电动机振动频率进行比对，结果显示电动机与电动机支撑架可以避免共振的发生，进一步验证电动机支撑架的可使用性与可靠性。该支撑架具有结构简单、易于加工、质量轻、安全性高等诸多特点，对同类支撑架的设计具有一定的指导意义。