我國起重機輕量化設(shè)計研究

1 相關(guān)概念及定義

    1.1 輕量化

    輕量化技術(shù)是指采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)選材料、優(yōu)選加工方法等，在大化減輕機械零部件或整機自重的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、制造成本、產(chǎn)品性能等綜合指標(biāo)優(yōu)化的項新技術(shù)。

    1.2 輕量化設(shè)計的思路

    輕量化的目的在于將所設(shè)計產(chǎn)品的自重降到低，同時還必須保證產(chǎn)品的功能完備，安全性與耐用性符合設(shè)計要求。輕量化設(shè)計可從以下幾方面考慮：

    (1)結(jié)構(gòu)輕量化，設(shè)計合理的幾何外形和單的傳力路徑來實現(xiàn)前衛(wèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

    (2)材料輕量化，采用密度更小、強度更高的材料代替質(zhì)量體積比較大的材料。

    (3)工藝輕量化，挖掘各種工藝技術(shù)的潛能，以實現(xiàn))可靠的構(gòu)件功能集成。

    (4)借助于高水平的分析計算方法FEM、BEM等），獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力載荷分布與穩(wěn)定性情況，從而為起重機的輕量化設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)輕量化

    2.1 輕量化設(shè)計計算方法

    (1)限狀態(tài)法

    限狀態(tài)法以概率論、數(shù)理統(tǒng)計、可靠性分析為理論基礎(chǔ)，把載荷、材料屬性、構(gòu)件實際尺寸等均看作基于某種概率分布的統(tǒng)計量，通過獲得各基本變量的分布概率模型及概率模型參數(shù)，計算產(chǎn)品失效概率來估算起重機鋼結(jié)構(gòu)的安全度，是種近似于定量計算的方法。這種計算方法考慮了金屬結(jié)構(gòu)的實際工況，計算結(jié)果，能充分利用鋼材的性能，比較適合輕量化設(shè)計計算。

    (2)有限元法

    有限元法是種以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代數(shù)值計算方法，能綜合考慮產(chǎn)品的實際工況和約束，對其實體模型進行近似定量的分析，給出結(jié)構(gòu)全面的應(yīng)力變形情況，為優(yōu)化設(shè)計和輕量化設(shè)計奠定基礎(chǔ)，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的化分析與設(shè)計尤為有效。

    (3)優(yōu)化設(shè)計法

    目前優(yōu)化設(shè)計在起重機輕量化設(shè)計中的應(yīng)用主要是以質(zhì)量輕為評價指標(biāo)的單目標(biāo)優(yōu)化，未來的發(fā)展方向是綜合考慮起重機的性能、制造成本、生產(chǎn)工藝等多種因素，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法進行綜合優(yōu)化。與有限元法、計算機技術(shù)等有機融合是優(yōu)化設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域得到大發(fā)展的有效途徑，比如通過有限元分析求解靈敏度來篩選對目標(biāo)函數(shù)影響較大的參數(shù)，進行有針對性的優(yōu)化設(shè)計，能顯著提高優(yōu)化效率。

    2.2 橋架結(jié)構(gòu)輕量化

    應(yīng)用有限元分析技術(shù)，研究了大型岸邊橋式起重金屬結(jié)構(gòu)在各種工況下的靜動態(tài)特性，并結(jié)合岸橋金屬結(jié)構(gòu)自身的特點，提出了以結(jié)構(gòu)剛度、強度以及模態(tài)頻率為約束，以質(zhì)量小為目標(biāo)函數(shù)的岸橋金屬結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法，成功實現(xiàn)岸橋金屬結(jié)構(gòu)減重8.9t，其質(zhì)量比原來下降了7.3%。該論文對大型集裝箱用起重機的設(shè)計及輕量化研究具有較高的參考價值。

    基于MATLAB平臺，采用差分演化法完成了橋架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。先，建立了主端梁模塊及加強筋的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，確定了新型輕量化橋式起重機主端梁的結(jié)構(gòu)形式及聯(lián)接方式；其次，編制了橋架輕量化設(shè)計流程并具體開發(fā)了偏軌箱型主梁設(shè)計系統(tǒng)，所設(shè)計的主梁達到了預(yù)期的減重目標(biāo)，驗證了差分演化法在起重機輕量化設(shè)計方面的可行性。文章所提到的輕量化設(shè)計流程及開發(fā)平臺是輕量化設(shè)計未來的發(fā)展方向。

    基于相似理論的結(jié)構(gòu)模型試驗研究，解決了起重機靜載試驗受場地、成本限制的問題，并通過試驗驗證了文獻中所使用的原型主梁的輕量化效果。

    2.3 起重小車輕量化

    起重小車輕量化設(shè)計分3個步驟：優(yōu)化小車零部件；優(yōu)化起升、運行機構(gòu)的傳動布置形式；優(yōu)化小車架的結(jié)構(gòu)形式。目的是使小車結(jié)構(gòu)緊湊，降低整車自重和限高度。