一種新型斜爬軌道式擦窗機(jī)輪壓值仿真優(yōu)化

曹遠(yuǎn)洋,張 珂,吳 杰,孫 佳,龍彥澤(.沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽 068; .申錫機(jī)械有限公司,江蘇 無錫 49)

一種新型斜爬軌道式擦窗機(jī)輪壓值仿真優(yōu)化

斜爬軌道式擦窗機(jī)是針對連續(xù)傾斜屋面設(shè)計(jì)的一種新型擦窗設(shè)備,其行走底盤設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,是整機(jī)核心部件.擦窗機(jī)工作在傾斜屋面,須保證任何工況下4個(gè)輪組同時(shí)壓向軌道,防止輪壓值為負(fù),出現(xiàn)上拔力導(dǎo)致擦窗機(jī)出現(xiàn)傾覆,因此,輪壓值的設(shè)計(jì)優(yōu)化成為了屋面擦窗機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn).針對斜爬擦窗機(jī)典型工作狀態(tài),對擦窗機(jī)底盤進(jìn)行機(jī)構(gòu)簡化并建立力學(xué)模型,將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析,結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化.通過輪壓值計(jì)算和優(yōu)化分析,給出一種用于斜爬軌道式擦窗機(jī)底盤設(shè)計(jì)的有效方法,滿足擦窗機(jī)輪壓值設(shè)計(jì)要求,提高整機(jī)安全性,為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考.

斜爬軌道; 擦窗機(jī); 輪壓值; 有限元; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代建筑不斷追求高度、美觀、創(chuàng)新,以及越來越多的城市地標(biāo)本身所具有的代表性、新穎性、超前性,建筑機(jī)械所面臨的技術(shù)難度也不斷的增加.大量傾斜式建筑屋面的出現(xiàn),導(dǎo)致傳統(tǒng)水平屋面軌道式擦窗機(jī)已無法滿足幕墻維護(hù)需要.研究和改進(jìn)擦窗機(jī)作業(yè)技術(shù),以滿足高空復(fù)雜屋面建筑物成為了一種需求[1].研究設(shè)計(jì)新型斜爬軌道式擦窗機(jī)的重要性不言而喻,復(fù)雜的行走機(jī)構(gòu)更是其重中之重.作者針對湖州東吳斜爬軌道式擦窗機(jī)項(xiàng)目展開研究工作,探索斜爬軌道式擦窗機(jī)行走底盤的設(shè)計(jì)、傾斜屋面不同工況下底盤輪壓值的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法及工程應(yīng)用.

1 東吳擦窗機(jī)工程應(yīng)用背景及設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

湖州東吳國際廣場建筑物標(biāo)高288 m(含避雷塔),是一對雙子樓.其屋面最低面為水平屋面,鋪設(shè)水平軌道.屋面兩側(cè)鋪設(shè)對稱的下斜爬軌道傾角(傾角17°)和上斜爬軌道(傾角23.56°),同時(shí)相鄰軌道之間水平面投影夾角為45°,屋面整體結(jié)構(gòu)近似為傾斜的棱形,如圖1所示.

圖1 湖州東吳國際廣場大樓屋面Fig.1 Huzhou Dongwu InternationalPlaza Building roof

1.1方案1

擦窗機(jī)初始方案采用軌道附墻式,軌道鋪設(shè)在外墻內(nèi)側(cè)上,擦窗機(jī)沿著軌道行走依靠兩架臂圍繞銷軸轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)水平面到斜爬面過渡.但在現(xiàn)場安裝調(diào)試過程中,吊臂較長,上車部件較重直接壓在回轉(zhuǎn)支撐上,架臂無法轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致擦窗機(jī)無法過彎.在工作狀態(tài)下,擦窗機(jī)吊船伸出墻外,所產(chǎn)生的傾覆力矩很大.由于屋面結(jié)構(gòu)梁存在,軌距安裝空間受限,導(dǎo)致下軌道需提供的抗傾覆力很大,墻體不能承受如此大的拉力[2-3](見圖2和圖3).

1.2方案2

利用Solidworks建立三維模型,如圖4所示.

圖2 附墻式擦窗機(jī)底架示意圖Fig.2 Schematic diagram of a wall-mountedwindow-cleaning machine chassis

圖3 附墻式擦窗機(jī)底盤過彎示意圖Fig.3 Wall-mounted window cleaning machinechassis turning diagram

其中:水平底盤與斜爬底盤都采用雙底盤設(shè)計(jì),分別為水平上下底盤和斜爬上下底盤.上底盤與下底盤之間都采用銷軸鉸接和液壓缸支撐連接,具有電動行走、液壓調(diào)平等功能.為保證擦窗機(jī)在水平軌道與斜爬軌道換軌過程中保持平穩(wěn),水平臺車底盤液壓缸與斜爬底盤液壓缸采用聯(lián)動設(shè)計(jì),以保證立柱時(shí)刻處于豎直狀態(tài)[4].

圖4 斜爬軌道式擦窗機(jī)三維模型Fig.4 3D model of the oblique climbing track typewindow cleaning machine

綜合經(jīng)濟(jì)性、安全性和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果,方案1復(fù)雜性高、現(xiàn)場施工難度大、安全性低,所以采用設(shè)計(jì)方案2.

2 CWG250XB型擦窗機(jī)工作原理

擦窗機(jī)整機(jī)行走在水平軌道上,水平上下底盤與斜爬上下底盤都處于水平狀態(tài),吊臂旋轉(zhuǎn)伸出墻外,吊船下降,負(fù)責(zé)對大樓屋面水平底面?zhèn)韧鈮α⒚孢M(jìn)行作業(yè),如圖5所示.

圖5 水平小車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of horizontal trolley structure

當(dāng)擦窗機(jī)整機(jī)沿水平軌道行走至斜爬軌道底部時(shí),水平臺車液壓桿伸縮,水平上底盤圍繞兩側(cè)銷軸轉(zhuǎn)動,使得水平上底盤上表面焊接軌道與下斜爬軌道上軌道對接.調(diào)節(jié)斜爬底盤上液壓桿伸縮幅度使斜爬上底盤處于水平狀態(tài),保證立柱始終處于垂直位置.斜爬擦窗機(jī)沿著軌道上齒條到達(dá)斜爬軌道,與水平臺車分離.斜爬擦窗機(jī)即可沿著傾斜軌道行走,完成大樓外立面玻璃的清理和維護(hù)[5],如圖6和圖7所示.

圖6 擦窗機(jī)工作示意圖Fig.6 Working diagram of window cleaning machine

圖7 擦窗機(jī)換軌示意圖Fig.7 Schematic diagram of window cleaningmachine replacement rail

3 斜爬工作狀態(tài)下擦窗機(jī)輪壓值設(shè)計(jì)

3.1輪壓值設(shè)計(jì)依據(jù)

擦窗機(jī)底盤采用廣泛靜不定4點(diǎn)支撐,其原因可使擦窗機(jī)合力點(diǎn)比靜定3點(diǎn)支撐在更大的作用范圍內(nèi)移動,提高整機(jī)的穩(wěn)定性和抗傾覆能力.支撐力的分配與載荷、底盤構(gòu)造、軌道不平度和剛度、屋面平整度等許多因素有關(guān),同時(shí)軌道與屋面的不平度往往很難估計(jì).

當(dāng)合力點(diǎn)處于底盤外側(cè),整機(jī)將會發(fā)生嚴(yán)重傾覆.抗傾覆側(cè)輪組抬高,支撐懸空,軌道受到輪組上拔力,導(dǎo)致行走困難,嚴(yán)重時(shí)拉斷軌道擦窗機(jī)將從屋面上脫落.因此,必須保證合力點(diǎn)在底盤范圍內(nèi)移動,輪組在任何情況都壓向軌道[6](見圖8).

圖8 擦窗機(jī)底盤受力分析圖Fig.8 Force analysis of the chassis ofwindow cleaning machine

擦窗機(jī)行走在上斜爬軌道(傾角23.56°),立柱在上斜爬底盤油缸的作用下處于豎直狀態(tài),計(jì)算底盤的輪壓值,校驗(yàn)不利的情況(底盤一端翹起)究竟是否會出現(xiàn)(見圖9和圖10).

圖9 擦窗機(jī)輪壓值計(jì)算示意圖1Fig.9 Schematic diagram 1 of wheel pressure calculationof window cleaning machine

分別沿軌道方向和垂直軌道方向建立X,Y軸直角坐標(biāo)系.斜爬面擦窗機(jī)輪組總支撐力為

F1=Gcosα

(1)

圖10 擦窗機(jī)輪壓值計(jì)算示意圖2Fig.10 Schematic diagram of wheel pressurecalculation 2 of window cleaning machine

根據(jù)力系平衡定理,將上底盤部件回轉(zhuǎn)中心從O2點(diǎn)平移至O1點(diǎn),將分別產(chǎn)生對X,Y軸的力矩Mx和My.其支撐反力大小計(jì)算分別為

Mx=G2ecosα

My=G2esinα

(2)

(3)

式中:Mx,My為力系向回轉(zhuǎn)中心簡化產(chǎn)生的力偶;e為上車部件合力點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離;r為軌距;s為輪距;下底盤質(zhì)量G1;上車部件質(zhì)量G2.

(4)

3.2上車部件合力點(diǎn)至回轉(zhuǎn)中心距離e

上車部件合力點(diǎn)圍繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn),為了計(jì)算e,已知軌距s與輪距r相等,都為2 000 mm.擦窗機(jī)行走在斜爬軌道分為2種情況:① 工作狀態(tài)吊船在上,機(jī)房在下;② 工作狀態(tài)吊船在下,機(jī)房在上.校驗(yàn)第1種工作狀態(tài):設(shè)上車部件合力作用點(diǎn)距離回轉(zhuǎn)中心水平距離為X.上底盤傾覆側(cè)等于抗傾覆側(cè),解得X=570.51 mm,求得偏心距e=X/cos 23.56°=622.38 mm(見圖11).表1所示為擦窗機(jī)載荷分布圖.

圖11 擦窗機(jī)正常工作狀態(tài)示意圖Fig.11 The normal working condition ofwindow cleaning machine

表1 擦窗機(jī)載荷分布圖Tab.1 The load distribution diagram ofwindow cleaning machine

擦窗機(jī)底盤輪距軌距都為2 000 mm.由上述最大輪壓角tana0=s/r可知,把e代入輪壓值公式計(jì)算(方向垂直于軌道)得

Fmax=32 754 N

Fmin=7 120 N

FB=19 937 N

FD=19 937 N

(5)

吊臂前端受最大輪壓力為32 754 N,最小輪壓值B點(diǎn)為7 120 N,即在正常工作狀態(tài)情況下,4個(gè)輪組同時(shí)壓向軌道,不存在底盤一端翹起的狀況.

3.3危險(xiǎn)狀況下輪壓值計(jì)算

在擦窗機(jī)使用過程中,出現(xiàn)部件老化、液壓缸漏油,或工人操作不當(dāng)?shù)惹闆r使得立柱不在處于豎直狀態(tài),而處于最危險(xiǎn)工況,即立柱垂直斜爬軌道時(shí),校驗(yàn)此刻輪壓值.

當(dāng)?shù)醣坌D(zhuǎn)至整機(jī)最低處,即在工作狀態(tài)第2種情況下(見圖12),此時(shí)吊臂與水平面夾角約為23.56°-17°≈6°,擦窗機(jī)底盤受力最差.設(shè)上部件合力點(diǎn)位于立柱與吊船之間,偏心距為X.

圖12 擦窗機(jī)危險(xiǎn)工作狀態(tài)示意圖Fig.12 Schematic diagram of the dangerous workingcondition of the window cleaning machine

代入數(shù)值計(jì)算X=1 455 mm,偏心距e=X/cos 23.56°=1 587 mm,合力作用在底盤范圍外.將e代入最大最小輪壓值(方向垂直于軌道)公式得

Fmax=50 013.3 N

Fmin=-10 139.4 N

圖12中,A點(diǎn)受最大輪壓力為50 013.3 N,B點(diǎn)一端最小輪壓值為負(fù),即距離吊船最遠(yuǎn)端底盤將出現(xiàn)翹起,整機(jī)將會在傾斜軌道沿吊臂前端傾覆,輪組受軌道上拔力10 139.4 N.

4 擦窗機(jī)底盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1擦窗機(jī)危險(xiǎn)狀況下底盤的仿真分析

在CAE領(lǐng)域,ANSYS Workbench是性能卓越的多物理場耦合分析軟件,模型的好壞直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.為了保證仿真精度和準(zhǔn)確性,利用Solidwork建立底盤模型,并對不必要的幾何特征進(jìn)行簡化,導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行仿真.將上車部件對底盤的影響簡化為遠(yuǎn)程力和集中力,添加材料和邊界條件,對變形、等效應(yīng)力進(jìn)行求解[9],得到總形變.等效應(yīng)力如圖13和圖14所示.

圖13 危險(xiǎn)狀態(tài)下底盤的變形云圖Fig.13 The deformation of the chassis underdangerous condition

可以看到斜爬底盤最大變形發(fā)生在內(nèi)軌道側(cè)耳板與液壓缸固定處,最大變形為9.996 2 mm,最大應(yīng)力發(fā)生在底架結(jié)構(gòu)中間連接梁上為847.36 MPa.

圖14 危險(xiǎn)狀態(tài)下底盤的應(yīng)力云圖Fig.14 The stress of the chassis underdangerous conditions

4.2輪壓值優(yōu)化

選取最小輪壓值

(6)

為目標(biāo)函數(shù).滿足條件

Fmin≥0

(7)

考慮屋面空間結(jié)構(gòu)和過彎半徑限制和經(jīng)濟(jì)效益,維持軌距與輪距保持不變.選取G1,G2,e為優(yōu)化變量，將不等式(7)兩側(cè)化簡得

(8)

此時(shí)解得e=1.12 m,可知通過增加下底盤質(zhì)量G1、減少上車部件質(zhì)量G2、減小2個(gè)回轉(zhuǎn)中心的距離e來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化.

根據(jù)變形和應(yīng)力云圖,在斜爬底盤內(nèi)軌側(cè)上下底盤兩端假設(shè)支撐,底盤中間結(jié)構(gòu)增設(shè)為2根,下底盤增質(zhì)量90 kg.同時(shí),減少配重箱配重塊100 kg,使配重臂延長600 mm.將調(diào)整后的結(jié)構(gòu)帶入平衡公式，計(jì)算解得e=0.186 m,滿足式(8),實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的.新的底盤結(jié)構(gòu)如圖15所示.

圖15 優(yōu)化后底盤三維模型示意圖Fig.15 Schematic diagram of the optimized3D model of the chassis

4.3支撐管響應(yīng)曲面優(yōu)化分析

在保證結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的情況下,為使結(jié)構(gòu)重量最輕最合理,利用ANSYS DesignXplorer模塊進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化.將支撐管厚度以及所受外載荷設(shè)定為輸入?yún)?shù),設(shè)定合理參數(shù)變化范圍,設(shè)置最大應(yīng)力及最大總應(yīng)變?yōu)檩敵鰠?shù).由于支撐位置的改變與支撐管所受壓強(qiáng)相關(guān)聯(lián),設(shè)定支撐管厚度參數(shù)為8～11 mm,計(jì)算得壓強(qiáng)支撐管所受外載荷變化范圍為55～98 MPa,得到輸入、輸出變量列表框，如圖16所示.

圖16 輸入輸出參數(shù)變量列表Fig.16 The list of input and output parameter variables

通過計(jì)算機(jī)在DOE表中列出關(guān)于板厚、質(zhì)量、變形和應(yīng)力關(guān)系的9個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn),如圖17所示.

圖17 響應(yīng)數(shù)據(jù)Fig.17 Response data

通過計(jì)算機(jī)繪制設(shè)計(jì)點(diǎn)的等效應(yīng)力曲線,可以更加直觀地對9組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(見圖18).

圖18 響應(yīng)曲線Fig.18 Response curve

由圖18觀察曲線可得設(shè)計(jì)點(diǎn)6點(diǎn)所產(chǎn)生的總形變較小,在最大載荷的作用下采用8 mm的板厚與板厚為11 mm相比,表現(xiàn)出來的等效應(yīng)力水平相差不是很大.為了更加直觀地顯示9組數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,利用Response Surface模塊建立板厚、變形、等效應(yīng)力之間的響應(yīng)曲面,如圖19所示.

選取Response Chart曲面上應(yīng)力、變形、板厚最小的點(diǎn)作為正式設(shè)計(jì)點(diǎn),更新設(shè)計(jì)后重新進(jìn)行計(jì)算(見圖20).

圖19 響應(yīng)曲面Fig.19 Response surface

圖20 設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)變量Fig.20 Design point parameter variables

由圖20可見,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,8 mm的板厚已經(jīng)能解決問題.重新對底盤進(jìn)行仿真,如圖21和圖22所示.

圖21 底盤優(yōu)化后的變形云圖Fig.21 Deformation of the chassis after optimization

圖22 底盤優(yōu)化后的應(yīng)力云圖Fig.22 The stress of the optimized chassis

由圖21和圖22所示斜爬底盤最大變形為1.34 mm,等效應(yīng)力為271.88 MPa.經(jīng)過優(yōu)化之后,擦窗機(jī)底盤變形和等效應(yīng)力明顯減少,整個(gè)底盤的剛度和穩(wěn)定性得到明顯的提升,達(dá)到了優(yōu)化的目的[10].

5 結(jié)語

擦窗機(jī)作為高空作業(yè)載人設(shè)備,安全性不言而喻,輪壓值的設(shè)計(jì)優(yōu)化是軌道式擦窗機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn).本文針對大傾角變換傾斜屋面,提出了一種借助水平臺車換軌的方案,解決了擦窗機(jī)在兩不平行屋面行走問題.并給出了斜爬擦窗機(jī)傾斜屋面輪壓值計(jì)算方法,借助有限元軟件對危險(xiǎn)工況下斜爬底盤仿真.根據(jù)仿真結(jié)果,提出了結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化方案,提高了整機(jī)安全性,對斜爬軌道式擦窗機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考.

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Thesimulationandoptimizationofwheelpressureaboutanewbuildingmaintenanceunit

CAOYuanyang,ZHANGKe,WUJie,SUNJia,LONGYanze
(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168, China; 2.Shenxi Machinery Co.,Ltd.,Wuxi 214192,Jiangsu, China)

The oblique climbing track machine is a new type of building maintenance unit which is designed for continuous sloping roof.The design of running chassis which is the core part of the whole machine is fresh and complex.In any case,in order to avoid the wheel pressure value is negative,the window cleaning machine need to press its four wheel group into the rail on the sloping roof,or the equipment will topple over.So the design optimization of wheel pressure has become the focus of the design of the window cleaning machine.For the typical working state of the oblique climbing window clean machine,the mechanism is simplified and the mechanical model is established.The model is imported into ANSYS Workbench for finite element analysis,and the response surface is optimized by the analysis result.Based on the calculation of wheel pressure value and strength analysis,an effective method for the design of a building maintenance unit’s chassis is presented,which is a reference for the design of the similar products.

oblique climbing track; building maintenance unit; wheel pressure; finite element; optimization design

TU 976+.42

： A

： 1672-5581(2017)03-0248-07

國家十二五科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAJ02B07);住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015-K3-009);沈陽建筑大學(xué)國家(地方)聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SJSC-2015-17)

曹遠(yuǎn)洋(1990—),男,碩士生.E-mail:caoyuanyang163@sina.com