鶴式起重機(jī)的耦合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

尚寶平,黃 航,張國(guó)智,肖艷秋

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,鄭州 450002)

在重型設(shè)備的設(shè)計(jì)中,可靠性指標(biāo)是設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中必須考慮的一個(gè)性能因素,尤其在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展與地球能源消耗急劇增加的今天,同時(shí)，也是順應(yīng)了當(dāng)今高效、可靠地解決實(shí)際工程問(wèn)題中工程應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì).要想做到這一點(diǎn),必須要有效地應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、可靠性分析等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法.目前,在起重機(jī)設(shè)計(jì)方面,現(xiàn)代仿真技術(shù)等在相關(guān)結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)方面有了一定的應(yīng)用,如:2 500 t環(huán)軌起重機(jī)主臂架的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1];履帶起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)可靠性分析[2];塔式起重機(jī)起重臂正向設(shè)計(jì)方法研究[3];橋式起重機(jī)隨機(jī)應(yīng)力譜獲取及疲勞剩余壽命估算[4];基于拓?fù)鋬?yōu)化的橋式起重機(jī)新型主梁設(shè)計(jì)[5];基于ANSYS的4 500 t浮式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[6];隨車(chē)起重機(jī)伸縮臂的非線(xiàn)性接觸有限元分析[7];基于GA-FEA的門(mén)座起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[8];龍門(mén)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化[9];基于MCMC的橋式起重機(jī)疲勞壽命可靠性靈敏度分析[10].現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在起重機(jī)應(yīng)用中日益廣泛,但對(duì)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的研究還存在一些問(wèn)題和不足,基于此,本文針對(duì)可調(diào)節(jié)鶴式起重機(jī)的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)等進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究.

1 基于TRIZ理論和可靠性分析的耦合設(shè)計(jì)基本思路

TRIZ理論具有良好的可操作性、系統(tǒng)性和實(shí)用性,它能夠幫助我們系統(tǒng)地分析問(wèn)題,快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題本質(zhì)或矛盾.針對(duì)固定設(shè)計(jì)原形,基于多功能調(diào)節(jié)思路,進(jìn)行多功能創(chuàng)新設(shè)計(jì),在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的同時(shí),運(yùn)用TRIZ理論中39個(gè)通用的工程參數(shù)與40條發(fā)明原理,把實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題;然后,以TRIZ理論中發(fā)明問(wèn)題的解決策略作為指導(dǎo)方法,最終演繹得出實(shí)際解決方案.并結(jié)合可靠性分析，篩選創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案,具體的耦合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本思路如圖1所示.

圖1 基于TRIZ理論和可靠性分析的耦合設(shè)計(jì)方案Fig.1 The coupling design scheme based on TRIZ theory and reliability analysis

2 鶴式起重機(jī)的等勢(shì)能起吊條件的建立

鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示.鶴式起重機(jī)在起吊的過(guò)程中勢(shì)能不變,圖2中的虛線(xiàn)為起吊終點(diǎn)時(shí)刻,令EF=E′F′=h,FF′=l,DF′=a,AD=l1,AB=l2,BC=l3,CD=l4,CE=l5,∠DAB=φ0,∠DAB′=φt.因勢(shì)能不變,經(jīng)過(guò)推導(dǎo),鶴式起重機(jī)的等勢(shì)能起吊條件為

(1)

圖2 鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 The mechanism diagram of the crane

由式(1)可見(jiàn),通過(guò)改變桿件初始和終點(diǎn)起吊角度以及3個(gè)桿件的長(zhǎng)度去實(shí)現(xiàn)改變起吊高度、物體移動(dòng)距離等起吊參數(shù),得出了起吊參數(shù)對(duì)該機(jī)構(gòu)的影響規(guī)律,即通過(guò)改變桿件各參數(shù)可實(shí)現(xiàn).

3 鶴式起重機(jī)的可靠性分析

如圖3所示,在ANSYS中建立鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)的有限元模型,機(jī)構(gòu)各個(gè)桿件參數(shù)及對(duì)應(yīng)符號(hào)如表1所示.應(yīng)用ANSYS的PDS模塊，研究各桿件參數(shù)的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)起吊終點(diǎn)Y向位移的影響.采用中心復(fù)合抽樣的方法,迭代次數(shù)為27,再通過(guò)蒙特卡羅擴(kuò)展求解,擴(kuò)展計(jì)算迭代次數(shù)為10 000.

表1 機(jī)構(gòu)各個(gè)桿件參數(shù)Tab.1 Parameters of all links of the mechanism dm

圖3 鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)的有限元模型Fig.3 The finite element model of the crane

圖4 起吊端Y向位移曲線(xiàn)Fig.4 The Y displacement curve of the lifting end

對(duì)鶴式起重機(jī)起吊過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析,其中初始起吊時(shí)φ0=90°,起吊結(jié)束時(shí)φt=120°,在起吊過(guò)程中的起吊端Y向位移曲線(xiàn)、速度曲線(xiàn)和加速度曲線(xiàn)如圖4和圖5所示.從圖4中可見(jiàn),起吊端Y向位移僅為0.04 dm,基本是勢(shì)能不變,由式(1)可見(jiàn)有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性,并且位移變化較小,基本是等勢(shì)能起吊.從圖5中可見(jiàn),在起吊過(guò)程中起吊端在起吊之初速度和加速度變化較大.

圖5 起吊端Y向速度和加速度曲線(xiàn)Fig.5 The Y speed and acceleration curve of the lifting end

對(duì)鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析,鶴式起重機(jī)的輸出性能參數(shù)為起吊高度變化,假設(shè)機(jī)構(gòu)各個(gè)桿件隨機(jī)波動(dòng),根據(jù)抽樣分析結(jié)果,圖6所示為擬和響應(yīng)曲面圖,可知4個(gè)桿件長(zhǎng)度與鶴式起重機(jī)的起重高度變化呈非線(xiàn)性響應(yīng)關(guān)系.圖7(a)為起重機(jī)的起吊高度分析結(jié)果,可知當(dāng)各桿件長(zhǎng)度有10%波動(dòng)時(shí),鶴式起重機(jī)的起重高度變化范圍為-6.4～9.2 dm.圖7(b)為響應(yīng)曲面法擴(kuò)展計(jì)算敏度分析結(jié)果,鶴式起重機(jī)的起吊高度變化對(duì)桿2的敏感程度最為敏感,而對(duì)桿4最不敏感.由式(1)可知，此結(jié)論與理論分析結(jié)果相一致,由此也證明了該可靠性分析的正確性.

圖6 中心復(fù)合抽樣分析的響應(yīng)曲面圖Fig.6 The response surface chart of the central composite sampling analysis

圖7 起重機(jī)響應(yīng)曲面法擴(kuò)展分析結(jié)果Fig.7 Extension analysis results of crane with response surface method

4 可調(diào)節(jié)鶴式起重機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

在鶴式起重機(jī)起重參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),根據(jù)TRIZ理論可將各個(gè)桿件變?yōu)樯炜s式,結(jié)合可靠性分析結(jié)果,為確保起重的等勢(shì)性,盡量改變桿件3和桿件5,即改變起重機(jī)的起吊臂.為了保證等勢(shì)性,必須嚴(yán)格控制桿件1、桿件2的加工和裝配精度.

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)某鶴式起重機(jī)的有限元分析,可知起吊結(jié)束時(shí)起吊端的位移僅為0.04 dm,基本勢(shì)能不變,由此驗(yàn)證了文中所建立的等勢(shì)能起吊條件與有限元分析的準(zhǔn)確性.

(2) 通過(guò)對(duì)某鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)的可靠性分析得出,鶴式起重機(jī)的起吊高度變化對(duì)桿件2最為敏感,對(duì)桿件4最不敏感.

(3) 由鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)的可靠性分析結(jié)果可知，為了保證起重的等勢(shì)性,必須嚴(yán)格控制桿件1、桿件2的加工和裝配精度.

通過(guò)以上分析和研究,為起重機(jī)的可靠性和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了分析方法,并為其桿件的加工與裝配精度提供了參考依據(jù).