起重机的现代设计方法_须雷

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1、起重机的现代设 计 方法机械 部北京起重运 输机械 研究所须雷摘要:设计对产品的技术和经济效果起决定性作用。本 文结合国内外起重机设计 的实例和发展趋势,论述了起重 机各种现代设计方法的基本原理、特征和应用情况。叙词:起重机设计方法应用A bstra et:Prod: 一etde signpredefermin esfeehn.e alandeeo n omieeffe etsoftheproduet.T hisPaperintrodu e esfundamentals,feat盯esa ndapplleationsofvar, ousmode rndesignmethods,Show ing

2、de v elopmenttre ndsofer anedes 一gnathomeandabro adine ombinatonwithpr a etie ale xamples.Keywo rds:Cr a neDe signmethodAp plie atlo n随着现代 工业 的迅速发展和 国内外 市场 竞争的加 剧,起重 机在 现 代化生 产过 程 中应 用 越来 越广.作用愈来愈 大,对 起重 机 的要求也越 来越 高因此起 重机 的设计 计算 方法 需不断地 充实、完善,使设计出的起重机更符 合实际使用 工况.更注重 功能性、经济性和 可靠性。长期以来,起重 机 的 设 计方法 多

3、采用以古典力 学和数学为基础的半 理 论、半经验 设计法和类比法、直觉 法等 传统设计 方法,设计 过程 反复 多,周 期长,设计 的精 确度 差。近年来随着 电子 计 算机 技 术 的广泛 应用和系统工程、优 化 工程、价 值工 程、可靠性工 程、创造工程、人机工 程等现代设 计理论的不断 发展,促 使 许 多跨学 科的现 代 设 计方 法出现,使起重机的 设计 进 入 创新、高质量、高 效率 的 新阶段。本文结合国内外起 重 机设 计 的 实例 和 发 展趋势,简要论 述 起重机 的现 代设计 方法。1.极限状态设计起重 机钢结构长期 采用 的是 许用应 力设 计法。材料假定 为均 匀的

4、弹性体,使用载荷 设 为不变 的定值,材 料许用应 力 等于钢 材屈服强 度 除以经 验安 全系 数。实际 上设计 中存在很多不 定性因素,如 应 力、材 料强 度、起重机 承受 载荷的大 小、方 向、位 置等都是 随机变化的,所以安 全系数 并不 能定量反 映 产品的可 靠 程度,有时 会出现过份 保守 或较为不安全 的情况。由于载 荷 不 能 准确 确 定,起 重 机设 计难免冒一定风险,所以应把这种风险(或 失 效 概率)起重运输机械1 996(8 )限制到人 的经验 能接受的 程度。为了 明确 允许风 险程度,国外在8 0年代初把概率论、数理 统计、可 靠性理论等学科引进到起重机的设

5、计 中,出现了以概率统计法 为基础 的 起重机极 限状态设计法。把载荷、材料性质、构件实际尺寸等均看作 基 于 某种概率分布的统计量,通过大 量 实测与调查得到 各 基 本变量 的 分布 概 型 及参数,然后 应 用 概率论可靠性知识,计算失效的概率(风 险大小)来 估计起 重 机 钢 结构 的安全 度川。起重机的设计从定值许用 应力 法发 展到概率极限状 态设 计法是设计理论 的重大发 展。国际 1 50标 准组织T C9 6技 术 委 员会 在19 85年推荐了起重机钢 结 构概率设计 法,俄罗斯于1 98 6年向1 50提 交 了载荷组 合 系数 设计文 件,美 国根据起重机制 造协 会

6、 在电动桥式 起重机规范中提供的载荷变异 系数,于1983年完成了起重机钢 结构 疲劳方面的 载荷和抗力 系数设计。我国1 98 8年发布 的钢结 构设 计 规范也将许用应 力法改为 极限状态设 计法。可以预 见,今后 世界各国在起 重机设 计 中将会越来越普遍采 用极 限状 态法。2.优化设计长 期以来,起重机设计一 直 沿用 着 经 验 类比设计方法,不仅需 要 花费较多的设计时间,设计 周期也长,而 且只限于在 少数几 个候选方 案中进行比较分析,同时选择的方案 也 没有十分精 确的评价标 准来衡量其优劣,一 般很难得到近 乎最优的设计方案。随着电子计算机技术 的一3一发展与应 用,可以

7、建立 设 计 过 程能自动择 取 最优方案 的一 种迅速有效 的方法,即优化 设计。这种设计方 法是 数学 规划与计 算机 技术 相结合的产物,成 为解 决复 杂设 计问题的 一种有 效工 具。起重机 设计 采用优 化方法,能根 据产 品要求,合理 确 定和计 算 各 项参数,以期 达到最 佳设 计目标,例如重 量、成 本、性能 和承 载 能力 等。自 6 0年 代 末 7 0年 代初,德国、俄罗斯、美国、日本 等国 和我 国都开 展 了桥式 起重机 主梁优化设计,大 多以重 量最轻 为目标函数。以后又逐步 扩展到桥 架、零部件和机 构的 优化。但 由于起重 机是成 系列、成 批量 的产 品,

8、单目标优化 逐渐已不能满足设计 者的需 求,如何 寻求多目标 多参 数,能兼顾 多种因素的整体优 化方法已引起世界各国起重机设 计者 关心。我 国 曾采用 多级模糊 综合评 判方法,综 合考虑 起重 机性能、成本、工 艺、生产管理、制 造批 量和使 用维护等多种因素,达 到用最少规 格数 的零部 件组成 尽可 能多 的起重 机规 格型号 数,解决了起重 机 系列整体优化问题,取 得 了一定 的效果 z 。今后在起 重 机的方案选择、主参 数匹配、主要 结构件 及传 动件 的设计 及布置等方 面,将 会更 多地采 用优化设计方法。3.可靠性设 计 随着现代工 业技术 的发展,起 重机 的 作用越

9、 来 越大,功 能 逐渐增 加,而 使 用 条 件却很苛刻,导致发生故障的机 会增 多,造 成 的后果 愈加严重,因此 可靠性问题日渐 尖锐,成 为国际 市场仁产品竞争的焦 点。产品的设计决定 了产 品的固有 可靠性,如 在设计 时留下 了不可 靠的 隐患,在产 品制 成后再予 弥 补,由此 引 起 的故障损失要花费成倍 的代价。可靠性设 计就是从安 全和经 济两方面考 虑,事先 确 定出产品最小 失效概率 的一种 设计 方 法,其目的就 是 在费用允 许 的条 件下,尽量防止产品失 效 的发生,设计出高可靠性 的产品。可靠性 设计 包 括确定 可靠性指标及其量值、失 效分析、可靠性分析、可靠

10、性分配、可靠性验证等。自7。年代以来,德国、美 国、日本、俄罗斯等国逐 渐将可 靠性设计 理论和方法应 用于起 重机 的设计,许 多大 公 司制 定了可靠性内控标准。一4一俄罗斯早在6 0年代初就开 始 对起 重 机 进 行故障调查,确 定可 靠性指 标。7 0年 代 将可 靠性 考核 指标 列入 行业 指 导性文 件,1 9 85年正 式列入起重机 产品标准。主要 指标 有起 重机总使用 寿命、平均 首次 无故障工 作时 间、平均故 障 间隔时间、大修前平均 工作 时间和平均 维修时 间等。目前通过试验,积累了五百 多台 起重 机 的 统 计 资料,经 过 努 力,使 起 重 机 可 靠性水

11、 平 提 高了50%。我国对 起重机可靠性 的研究始于8 0年代,目前主 要 处于对 产品的可靠性试验、可 靠性指标评估和失效分析。为了对桥式起 重机 可靠性设计提供载荷数据,有 关 单位 对典型桥 式 起 重机使用 载 荷进 行 了现 场实 测 及 统计处理,得 到了桥式起重 机载荷谱。再根据主梁疲劳 寿命试验 的实测数据和钢材屈服 强 度试验 数 据,完成了桥式起 重机主梁静强度和疲 劳强度 的可 靠性分析 公式和设计程序。主梁采用可靠性设计 方法,由于设 计参数 能 较 好 反映 载 荷和抗 力的实际情况,对结构材料 可做到 充分利 用,主 梁的断面 将 更趋 合理,并具有较 高 的 使

12、用可 靠性。近期,首批桥式 起重机可靠性考核试验也已完 成。经过 一 年半 的用 户现场 使用数据反馈评定 获得了故 障类 别 与模式、故 障频 数与 原因、维修 方式与时 间,以及平均 无故障工作时 间,使 用可 用 度等许 多 宝贵原 始资料,为提 高 我国起 重机可靠性水平打下 了基础。4.计算机辅助设计(CA D)随着 市 场竞争的 加剧,不仅要求缩短 产 品更新换代周期,而且 还 要求产品由原 来的 单一品种、大批量生 产模 式,转 向多品种、高 质量、小批量 生产模式。传统的人工设计方式已不能 适应这 种变化的 要求。随 着计算 机 技术 的迅速 发展,已有 各 种性能良好 的 计

13、 算机 硬 件及外围设备陆续问世。计算机软件技术 也 有很大 的提 高,发展 了数据库 技术,开发 了大 量 图形软 件,以及与现代设 计理 论相 适应 的各种应用软 件。这 些都促 进 了C AD技术 的应 用和 发展,即 采用计算机来辅 助设 计 人员 完成设 计过程中的部分 工作。目前CAD已逐步深入 到 设计 的各 个 阶段起重运输机械19 96(8)阳设计 工 作所 涉 及 的各 个领域,不仅 能 利用计算机运算 速度快、计算精度高、存储信息量大和逻辑推理能力强 等优点代替人工进行计 算与绘图,而且还 能通 过人机 交 互,最 大 限度地 发挥设计人员的创造 力和经 验。目前美国、德

14、国、日本等 一些制 造起 重机 的大 公 司都广泛 应 用CAD方法 来进行起 重机的计算 分析、设计方案比较 及工 程 图纸的绘制,有些已彻底抛 弃 了传统的 图板。德国德马格公司还开发 了计算机报价系统,用户只要 在计算机显示的桥 式起 重机 图形菜单 上作 直观 的基本 参数选择,基 本结构形 式选型,计算机立 即进行 设计 计算和标 准 部件 的选择,显示并 打 印 出所 需起 重 机的总 图及各主要 技术 参 数,必 要 时还 可输出部 件计 算 结 果及各主要 受 力 点 的 应 力 分析。最 后汇集 每 一个零部件的数 量、成 本,以及制 造 工 时、运 输和安 装费用 之后,进

15、行详细报价,整个过 程只需十几分钟。目前国内许多 生产厂也都 开 始 利 用C AD方法 进 行 起重机设计计算与绘 图,预计 今后 在广度和 深度方 面 会有一个更大 的发展。5.有限 元法有限元 法 是根据变分原理求解数学物 理间题 的 一种数值计算方法,随着计算机的发 展,在工 程领域得以广泛应 用。一般传统设计计算方法局 限性很 大,仅能进行粗略简化分析,载荷工况只有 有 限的 几种,无法 随意 组合,大多只能分析静 力。采用 有限 元法 则优越得多,能整体、全面、多工况随 意组合,进行静力、动力、线性和非线性 分 析,对 完 成复杂结构或多 自由度系统的分析 十分 有效。有 限元法

16、能针对起 重机 实际使用的结 构 边界条 件 进 行定 量 的 分析计算,为设计 提供 丰 富的、反映 实际工况 的计算 结果,并可配 有 丰富的动态 图形 显示功 能。例 如对桥式起重 机桥 架 进行 计 算,传 统 方法是将其分解 为主梁和端梁两 部分,并 简化 为简支梁计算,精确度不高。采 用有 限元法,可将桥架作为 一个 整体框架计算,并可分别进行静力和动力分析,给 出局部 的应力值。对于大型起重机和特殊、关键零部件 的设 计 计算及 局 部 应 力分析,采用有 限 元法/ (起,运输机械19 96(8)更具有优 越性。6.动态仿真设 计起重机是在 复杂 工况 下工作的大型结 构系统,其 动态性能受多 种因素影响,运动参数与载荷不能用一个 简单 的数学 模型 描述。以往 由于设计 者 缺 乏 有效 的理论与 工 具,所以起 重 机设计往 往以静态设 计 为主,显 然这 种设 计 方 法具有局限性。要准确分 析起 重机 的动态性能,实验是一 个有效的方法,它 可以实际测量 起 重 机 所承受的载 荷和结 构 响应,但起 重机 实测 在产品制成以后方有 可能,这