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1、起重机的现代设计方法起重机的现代设计方法起 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 现 设 法 理、 征和应用 况。各种 代 计方 的基本原 特 情叙词 起重机 设计方法 应用一, , ,盯一随着现代工业的迅速发展和国内外市场竞 限制到人的经验能 受的程度。 为了明确允许接争的加剧,起重机在现代化生产过程中应用越 风险程 ,国 在 初 概 论、数理统度 外 年代 把 率来越广 作用愈来愈大,对起重机的要求也越来 计、可靠性理论等学 引进到起重机的设计中,科越高
2、 因此起重机的设计计算方法需不断地充 出现了以概率统计法为基础的起重机极限状态、 , 。 、 、实 完善 使设计出的起重机更符合实际使用工 设计法 把载荷 材料性质 构件实际尺寸等均、 。 ,况 更注重功能性 经济性和可靠性 看作基于某 概 布的 量 通 大量实种 率分 统计 过, ,长期以来 起重机的设计方法多采用以古 测与调查得到各基本变量的分布概型及参数、 ,典力学和数学为基础的半理论 半经验设计法 然后应用概率论可靠性知识 计算失效的概率和 比法、 , 川。类 直觉法等传统设计方法 设计过程反 风险大小 来估计起重机钢结构的安全度, , 。复多 周期长 设计的精确度差 近年来随着电 起
3、重机的设计从定值许用应力法发展到概率极子计算机技术的广泛应用和系 工程、优化工 。统 限状态设计法是设计理论的重大发展、 、 、 、人程 价值工程 可靠性工程 创造工程 机工程 国际 标准组织 技术委员会在展, ,等现代设计理论的不断发 促使许多跨学科 年推荐了起重机钢结构概率设计法 俄罗的现代设计方法出现,使起重机的设计进入创 斯于 年向 提交了载荷组合系数设计、 、 。 ,新 高质量 高效率的新阶段 本文结合国内外 文件 美国根据起重机制造协会在电动桥式起起重机设计的实例和发展趋势,简要论述起重 重机规范中提供的载荷变异系数,于 年完机的现代设计方法。 成了起重 钢结构疲劳 面的载 和 力
4、系数机 方 荷 抗。 极限状态设计 设计 我国 年发布的 钢结构设计规范 也起重机钢结构长期采用的是许用应力设计 用 。 以 ,将许 应力法改为极限状态设计法 可 预见。 ,法 材料假定为均匀的弹性体 使用载荷设为不 今后世界各国在起重机设计中将会越来越普遍变的定值,材料许用应力等于钢材屈服强度除 采用极限状态法。以经验安全系数。 实际上设计中存在 多不定很 优化设计, 、 、 ,性因素 如应力 材料强度 起重机承受载荷的 长期以来 起重机设计一直沿用着经验类、 、 , , ,大小 方向 位置等都是随机变化的 所以安全 比设计方法 不仅需要花费较多的设计时间 设定 品 , ,系数并不能 量反映
5、产 的可靠程度 有时会 计周期也长 而且只限于在少数几个候选方案。 ,出现过份保守或较为不安全的情况 中进行比较分析 同时选择的方案也没有十分由于载荷不能准确确定,起重机设计难免 精确的评价标准来衡量其优劣,一般很难得到, 以 。冒一定风险 所 应把这种风险 或失效概率 近乎最优的设计方案 随着电子计算机技术的起重运输机 械 一 一 , 罗发展与应用 可以建立设计过程能自动择取最 俄 斯早在 年代初就开始对起重机进行故, 。 , 。优方案的一种迅速有效的方法 即优化设计 这 障调查 确定可靠性指标 年代将可靠性考种设计方法是数学规划与计算机技术相结合的 核指标列入行业指导性文件, 年正式列入产
6、 , 问 。 起 机产品标准。 主要指标有起重 总使用寿物 成为解决复杂设计 题的一种有效工具 重 机, , 、 、起重机设计采用优化方法 能根据产品要求 合 命 平均首次无故障工作时间 平均故障间隔时, 、 。理确定和计算各项参数 以期达到最佳设计目 间 大修前平均工作时间和平均维修时间等 目, 如 、 、 能和 。 过 验,积累了五百多台起重机的统计资标 例 重量 成本 性 承载能力等 自 前通 试, 、 、 、 , ,年代末 年代初 德国 俄罗斯 美国 日本等 料 经过努力 使起重机可靠性水平提高了国和我国 开展了 式起 机主 设 , 。都 桥 重 梁优化 计以 函 。 ,大多 重量最轻
7、为目标 数 以后又逐步扩展 我国对起重机可靠性的研究始于 年代到 、 和 。 目 于 品 、桥架 零部件 机构的优化 但由于起重机是 前主要处 对产 的可靠性试验 可靠性指、 , 。成系列 成批量的产品 单目标优化逐渐已不能 标评 和失效分析 为了对桥式起重机可靠性估, , ,满足设计者的需求 如何寻求多目标多参数 能 设计提供载荷数据 有关单位对典型桥式起重已 ,兼顾多种因素的整体优化方法 引起世界各国 机使用载荷进行了现场实测及统计处理 得到起重机设计者关心。 我国曾采用多级模糊综合 了桥式起重机载荷谱。 再根据主梁疲劳寿命试, 、 、 、 ,评判方法 综合考虑起重机性能 成本 工艺 生
8、验的实测数据和钢材屈服强度试验数据 完成、 ,产管理 制造批量和使用维护等多种因素 达到 了桥式起重机主梁静强度和疲劳强度的可靠性和 。 主 用用最少规格数的零部件组成尽可能多的起重机 分析公式 设计程序 梁采 可靠性设计方, , , 和规格型号数 解决了起重机系列整体优化问题 法 由于设计参数能较好反映载荷 抗力的实。 , ,取得了一定的效果 今后在起重机的方案选 际情况 对结构材料可做到充分利用 主梁的断、 、 , 。择 主参数匹配 主要结构件及传动件的设计及 面将更趋合理 并具有较高的使用可靠性 近置 , 。 ,首 式起 可 核 验也已完成。布 等方面 将会更多地采用优化设计方法 期 批
9、桥 重机 靠性考 试可靠性设计 经过一年半的用户现场使用数据反馈评定获得, 、 、随着现代工业技术的发展 起重机的作用 了故障类别与模式 故障频数与原因 维修方式, , ,以 ,越来越大 功能逐渐增加 而使用条件却很苛 与时间 及平均无故障工作时间 使用可用度, , ,刻导致发生故障的机会增多 造成的后果愈加 等许多宝贵原始资料 为提高我国起重机可靠严 , 问 日 , 国 础。重 因此可靠性 题 渐尖锐 成为 际市场 性水平打下了基仁产品竞争的焦点。 产品的设 定了产品的 计 机 助设计计决 算 辅, , 剧, 短产品固有可靠性 如在设计时留下了不可靠的隐患 随着市场竞争的加 不仅要求缩在产品
10、制成后 予弥补,由此引起的 损失 更新换代周期,而且还要求产品由原来的单一再 故障。 、 , 、 、要花费成倍的代价 可靠性设计就是从安全和 品种 大批量生产模式 转向多品种 高质量 小, 。 已经济两方面考虑 事先确定出产品最小失效概 批量生产模式 传统的人工设计方式 不能适一 , 目 用 应这种变化的要求。 随着计算机技术的迅速发率的 种设计方法 其 的就是在费 允许的, , ,条件下 尽量防止产品失效的发生 设计出高可 展 已有各种性能良好的计算机硬件及外围设靠性的产品。 可 性设计包括确定可靠 指 备陆续问世。计算机软件技术也有很大的提高,靠 性 标及 、 、 、 、 发展了 据库技术
11、,开发了大量图形软件,以及其量值 失效分析 可靠性分析 可靠性分配 数。 。可靠性验证等 与现代设计理论相适应的各种应用软件 这些, 、 、 、 ,。 以 日 展 用自 年代 来 德国 美国 本 俄罗斯 都促进了 技术的应用和发 即采 计等国逐渐将可靠性设计理论和方法应用于起重 算机来辅助设计人员完成设计过程中的部分工, 。 。机的设计 许多大公司制定了可靠性内控标准 作 目前 已逐步深入到设计的各个阶段起 一 重运输机械一, 。阳设计工作所涉及的各个领域 不仅能利用计 更具有优越性、 、算机运算速度快 计算精度高 存储信息量大和 动态仿真设计逻辑推理能力强等优点代替人工进行计算与绘 起重机是
12、在复杂工况下工作的大型结构系图,而且还能通过人机交互,最大限度地发挥设 ,其动态 能 多种因素影响, 动 数 载统 性 受 运 参 与人员 和 。 。 以计 的创造力 经验 荷不能用一个简单的数学模型描述 往由于、 、 ,目前美国 德国 日本等一些制造起重机的 设计者缺乏有效的理论与工具 所以起重机设以 ,大公司都广泛应用 方法来进行起重机的 计往往 静态设计为主 显然这种设计方法具、 , 。 ,计算分析 设计方案比较及工程图纸的绘制 有 有局限性 要准确分析起重机的动态性能 实验已 。 ,些 彻底抛弃了传统的图板 德国德马格公司 是一个有效的方法 它可以实际测量起重机所还开发了计算机报价系统
13、,用户只要在计算机 承受的载荷和结构响应, 但起重机实测在产品显示的桥式起重机图形菜单上作直观的基本参 制成以后 有可能, 样做风险大、成本大、费方 这, , 。数选择 基本结构形式选型 计算机立即进行设 工费时 国内外近年来在起重机设计中采用了计计 和标准部件的 择,显示并打印出所需 动态仿真设计新方法,即用计算机对机构与结算 选的总图及 主 , 态起重机 各 要技术参数 必要时还可 构在各种工况下承受载荷进行运行状 及随时输出部件计算结果及各主要受力点的应力分 间变化过程的仿真模拟,得到仿真输出参数和。 、 , , ,析 最后汇集每一个零部件的数量 成本 以及 结果 以此来估计和推断实际运行的各种数据、 , 。制造工时 运输和安装费用之后 进行详细报 并在对起重机进行动态分析计算时采用,整
