淺談起重機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

劉 力 李明萬(wàn)

1 概述

起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備,被廣泛的應(yīng)用于各種物料的起重、裝卸、安裝等作業(yè)中,大大減輕了體力勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。在一般的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)成本在整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品成本中占的比例不到30%,但對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)70%以上[7]。對(duì)于起重機(jī)械,同樣如此。因此,要提高起重產(chǎn)品的質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法是必不可少的。

起重機(jī)械的設(shè)計(jì)方法與起重機(jī)械的發(fā)展方向和機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向是密切相關(guān)的。下面作者將從以上兩個(gè)方面探討起重機(jī)械的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

2 起重機(jī)的發(fā)展方向及機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

2.1 起重機(jī)的發(fā)展方向[3]

由于我國(guó)起重機(jī)械行業(yè)發(fā)展起步較晚,雖然在技術(shù)水平上有了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步,但與國(guó)際水平相比還存在一定的差距,如：產(chǎn)品性能一般,產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力較弱,制造工藝水平較低,產(chǎn)品檢測(cè)水平不高,配套件供應(yīng)和質(zhì)量問(wèn)題影響較大,產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更新落后,實(shí)施乏力等。

因此,為了適應(yīng)工業(yè)的迅猛發(fā)展,與國(guó)際發(fā)展接軌,許多起重機(jī)設(shè)計(jì)制造企業(yè)從各個(gè)環(huán)節(jié)上謀求了不同程度的發(fā)展,主要發(fā)展方向?yàn)椋合虼笮?、高效、?jié)能方向發(fā)展;向自動(dòng)化、智能化、集成化和信息化方向發(fā)展;向小型化、輕型化、簡(jiǎn)單化和多樣化發(fā)展;向成套化、系統(tǒng)化、綜合化和規(guī)模化發(fā)展;向模塊化、組合化、系列化和通用化發(fā)展;采用新理論、新方法、新技術(shù)和新手段提高設(shè)計(jì)質(zhì)量;采用新結(jié)構(gòu)、新部件、新材料和新工藝提高產(chǎn)品性能等。

2.2 機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法[7]

順應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì),機(jī)械設(shè)計(jì)方法也由原來(lái)傳統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)等方法向現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。

從設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看有：方案設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì);施工設(shè)計(jì);工藝設(shè)計(jì)。

從設(shè)計(jì)內(nèi)容來(lái)看有：概念設(shè)計(jì)或方案設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);幾何參數(shù)設(shè)計(jì);工藝參數(shù)設(shè)計(jì);造型設(shè)計(jì);傳動(dòng)設(shè)計(jì);基礎(chǔ)設(shè)計(jì);摩擦學(xué)設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì);動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì);強(qiáng)度設(shè)計(jì);可靠性設(shè)計(jì);試驗(yàn)設(shè)計(jì);容差設(shè)計(jì);工藝設(shè)計(jì);控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì);診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

從設(shè)計(jì)方法來(lái)看有：優(yōu)化設(shè)計(jì);智能設(shè)計(jì);虛擬設(shè)計(jì);可視化設(shè)計(jì);網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì);并行設(shè)計(jì);協(xié)同設(shè)計(jì);相似性設(shè)計(jì);數(shù)字化設(shè)計(jì);反求設(shè)計(jì);快速反應(yīng)設(shè)計(jì);集成設(shè)計(jì);柔性設(shè)計(jì);融合設(shè)計(jì);模塊化設(shè)計(jì);模糊設(shè)計(jì);CAD;三次設(shè)計(jì)。

從設(shè)計(jì)思想與觀(guān)點(diǎn)來(lái)看有：綠色設(shè)計(jì);創(chuàng)新設(shè)計(jì);穩(wěn)健設(shè)計(jì);基于質(zhì)量展開(kāi)的設(shè)計(jì)(QFD);基于系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì);基于價(jià)值工程展開(kāi)的設(shè)計(jì)等。

3 起重機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

起重機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)一般是非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題,實(shí)質(zhì)上是多元非線(xiàn)性函數(shù)的極小化問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量、約束條件的選取,即數(shù)學(xué)模型的建立?，F(xiàn)以門(mén)式起重機(jī)門(mén)架的設(shè)計(jì)為例來(lái)說(shuō)明其設(shè)計(jì)思路。

首先確定目標(biāo)函數(shù)G(x),如門(mén)架的重量。然后確定設(shè)計(jì)變量xi(i=1,2,…,n),即決定或?qū)δ繕?biāo)函數(shù)有較大影響的各個(gè)參數(shù),如主梁、支腿、端梁、橫梁的重量。根據(jù)設(shè)計(jì)變量所受的各種限制確定約束條件,包括等式約束和不等式約束,如跨中最大正應(yīng)力、跨中腹板最大剪應(yīng)力等等(由于篇幅的限制不一一列出)。建立目標(biāo)函數(shù)G(x)與設(shè)計(jì)變量在x約束條件下的數(shù)學(xué)表達(dá)式,即目標(biāo)函數(shù)G(x)=G(x1,x2,…,xn),設(shè)計(jì)過(guò)程就是求目標(biāo)函數(shù)的最小值。最后用各種優(yōu)化方法如一維搜索法、梯度法、牛頓法、懲罰函數(shù)法、共軛梯度法等確定設(shè)計(jì)變量如組成門(mén)架的各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)、尺寸等的最優(yōu)值,完成最優(yōu)設(shè)計(jì)。

3.2 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)有兩層含義,即在考慮機(jī)械的功能和構(gòu)成的基礎(chǔ)上,同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的互換性和模塊間接口的標(biāo)準(zhǔn)化。因此在進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí),不但要使模塊滿(mǎn)足設(shè)計(jì)功能方面的要求,而且要使模塊間能夠自由連接和組合,這樣才能發(fā)揮模塊化的優(yōu)勢(shì),高效完成設(shè)計(jì)任務(wù)。起重機(jī)模塊化設(shè)計(jì)的基本思路：將起重機(jī)進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)分析,然后根據(jù)分析結(jié)果,劃分并建立具有獨(dú)立專(zhuān)有功能的模塊,對(duì)模塊進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì);最后根據(jù)設(shè)計(jì)要求組合模塊,得到我們所需功能的起重機(jī)。模塊化產(chǎn)品的特征就是從功能元素到物理組成的一一對(duì)應(yīng)[7]。起重機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)后,不但可以使其質(zhì)量得到保障,而且還可以大大縮短設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)周期,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,還可以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械零部件的成批生產(chǎn),從而很大程度的降低生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)成本,實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.3 可靠性設(shè)計(jì)[8]

可靠性設(shè)計(jì)是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),規(guī)定的條件下,以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ),以失效分析、失效預(yù)測(cè)及各種可靠性試驗(yàn)為依據(jù),以完成產(chǎn)品規(guī)定功能為目標(biāo)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

起重機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本思路為：將引起起重機(jī)零部件失效的所有因素統(tǒng)稱(chēng)為應(yīng)力S,則S可表示為各種失效因素si(i=1,2,…,n)的函數(shù),S=f(s1,s2,…,sn)。將起重機(jī)抵抗各種失效的因素稱(chēng)為強(qiáng)度R,則R可表示為各種影響強(qiáng)度的因素ri(i=1,2,…,n)的函數(shù),R=g(r1,r2,…,rn)。應(yīng)力S和強(qiáng)度R都是隨機(jī)變量,起重機(jī)各個(gè)零件安全與否,是以R＞S所發(fā)生的概率來(lái)表示的,即R(t)=P(R＞S)≥[R]。其中,R(t)為各零部件在運(yùn)行中的安全概率,即可靠度,它是指零部件在工作時(shí)間t內(nèi)的一種能力;[R]為零件的許用可靠度,它表示零件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的一種能力,即許用安全概率。產(chǎn)品的可靠性是其安全性、可維修性及壽命的重要保證,因此,可靠性設(shè)計(jì)也越來(lái)越成為起重機(jī)設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。

3.4 有限元法設(shè)計(jì)

有限元法就是將一個(gè)形狀復(fù)雜的連續(xù)體的求解域,分解為有限個(gè)簡(jiǎn)單的子區(qū)域,即將一個(gè)連續(xù)體簡(jiǎn)化為有限個(gè)單元組成的等效組合體,通過(guò)連續(xù)體的離散化,把求解連續(xù)體的場(chǎng)變量問(wèn)題,簡(jiǎn)化為有限單元節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)變量,求解系列代數(shù)方程組,得到近似的數(shù)值解。有限元法設(shè)計(jì)大致可分為四步：1)結(jié)構(gòu)離散;2)單元分析;3)整體分析;4)數(shù)值求解。這種方法具有很大的靈活性,只要改變劃分單元的數(shù)目,就可以改變解的精確度,得到與真實(shí)情況無(wú)限接近的結(jié)果,為我們的設(shè)計(jì)提供更確鑿的依據(jù)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,有限元法常與大型計(jì)算機(jī)編程或有限元分析軟件相結(jié)合,當(dāng)前大型商用程序如ANSYS,SAP,ADINA,NASTRAN,MARC,ABAQUS,ADAMS,I-DEAS等?；贏NSYS的有限元分析流程如圖1所示。

3.5 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是應(yīng)用動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方法,特別是應(yīng)用非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方法,選擇機(jī)械設(shè)備較優(yōu)的結(jié)構(gòu),較優(yōu)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài),以達(dá)到設(shè)備最優(yōu)的工作狀態(tài)。這樣可以在較大范圍內(nèi)考慮其工作過(guò)程中非線(xiàn)性因素的影響,使振動(dòng)超標(biāo)等有關(guān)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中得以消除。起重機(jī)械如大型門(mén)機(jī),其鋼結(jié)構(gòu)重量占整機(jī)重量的60%以上,而且其鋼結(jié)構(gòu)承受復(fù)雜耦合的機(jī)械運(yùn)動(dòng),對(duì)系統(tǒng)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng),鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在這種振動(dòng)的影響下會(huì)導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,同時(shí),設(shè)備在工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲,會(huì)損壞操作者的身心健康,這也是一個(gè)致力解決的工程問(wèn)題[2]。因而,要考慮設(shè)備的動(dòng)態(tài)安全及人機(jī)工程,這都是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題。

3.6 CAD

CAD是由計(jì)算機(jī)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的計(jì)算、分析、模擬、制圖編制技術(shù)文件等工作,但這項(xiàng)技術(shù)又不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)單影象,也不是局限在個(gè)別步驟或環(huán)節(jié)中部分的使用計(jì)算機(jī)作為工具,而是將計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)以及人的智慧經(jīng)驗(yàn)以現(xiàn)代的科學(xué)方法相結(jié)合,盡可能地依靠計(jì)算機(jī)完成重復(fù)性高、勞動(dòng)量大、計(jì)算復(fù)雜以及單純靠人工難以完成的工作,輔助而非代替技術(shù)人員完成整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程,以獲得最佳結(jié)果[5]。

3.7 智能化設(shè)計(jì)

智能設(shè)計(jì)有兩種不同的含義：1)用智能方法進(jìn)行設(shè)計(jì);2)對(duì)設(shè)計(jì)的對(duì)象實(shí)現(xiàn)智能化,而現(xiàn)行的智能設(shè)計(jì)也偏重于對(duì)產(chǎn)品的性能參數(shù)及其工作過(guò)程進(jìn)行智能控制與優(yōu)化[7]。對(duì)于起重機(jī)械,智能設(shè)計(jì)會(huì)在較大程度上提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量,并提升產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力,進(jìn)而給產(chǎn)品帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

起重機(jī)械的設(shè)計(jì)方法還有很多,如標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)等。而這些設(shè)計(jì)方法都是圍繞產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)完成的,因?yàn)槠鹬貦C(jī)械的質(zhì)量才是各個(gè)方面綜合的體現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中把以上各種方法都用上也是不現(xiàn)實(shí)的,所以,在我們實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以將兩種、三種或三種以上的多種方法結(jié)合起來(lái),盡量多地考慮設(shè)計(jì)變量,以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。發(fā)展綜合設(shè)計(jì)方法,從理念和技術(shù)上尋求產(chǎn)品與設(shè)計(jì)的最好結(jié)合點(diǎn),使我們實(shí)際的產(chǎn)品朝著具有過(guò)硬質(zhì)量的現(xiàn)代化方向發(fā)展。

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