門式起重機結構優(yōu)化設計

黃海峰*

（銀川科安特起重機制造有限公司,寧夏銀川，750001）

引言

起重機的分類方法有多種，常見的是按起重機體型特點來分類。如橋式起重機，門式起重機，門座起重機，汽車起重機，鐵路起重機，梔桿起重機，纜索起重機等。

1 門式起重及結構問題

1.1 金屬結構故障原因

起重機的金屬結構主要作用就是承受工作過程中的基本、附加和特殊 3大類載荷，是主要的承載部件。金屬結構的材料主要是鋼材，要使起重機的零部件和金屬結構在受載后不破壞、在循環(huán)應力的作用下能夠保證壽命，材料要求具備足夠的剛度、強度、抵抗屈曲的能力。在通常狀況下，門式起重機金屬結構經(jīng)常見到的故障有：旁彎變形、主梁下?lián)?，主梁接焊縫或者桁架接點焊縫有開焊的地方，主梁蓋板或腹板發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，主梁腹板有波浪變形等。導致這類金屬結構故障的原因主要體現(xiàn)下面幾點：（1）焊接的工藝不符。焊接的質量較差，有氣孔、漏焊、裂紋、未焊透、未熔合等焊接缺點。這些缺點降低焊縫的面積，減少焊縫承載能力，出現(xiàn)局部的應力集中，減少疲勞強度，容易發(fā)生裂紋致使破壞。焊接的工藝不當，還會引發(fā)焊接內應力和工作應力疊加，致使主梁旁彎并出現(xiàn)過大焊接殘余應力，進而導致腹板或蓋板出現(xiàn)波浪變形等缺陷。（2）長時間超載操作。長時間超負荷過載使用，使腹板失穩(wěn)所致。（3）熱效應的影響，存放、運輸不當，材質的疲勞等因素影響。

1.2 起升機構故障原因

1.2.1 制動裝置引發(fā)的故障

起重機的工作機構均應裝設制動裝置。制動裝置是保證起重機安全工作的重要部件，在起重機械的日常工作中發(fā)揮重要的作用。制動器常見的機械故障主要有：制動不靈、制動器不松閘、制動器打不開、制動力矩過大、制動瓦發(fā)生焦味冒煙、制動器失靈等，引起這些故障主要原因如下：（1）制動輪有故障。主要表現(xiàn)為制動輪與減速器輸入軸不同心、直徑不圓度超差、制動輪工作表面粗糙有油污等。（2）制動瓦襯有故障。主要表現(xiàn)為制動瓦襯與制動輪間隙不均勻、制動瓦襯膠粘在制動軸上、制動瓦襯嚴重磨損等，這些原因均可導致機構運行時瓦襯仍然壓在制動輪上摩擦而產生故障。（3）主彈簧有故障。主要是主彈簧調整不當或型號不匹配引起的張力太大或太小，還有主彈簧在長期使用中出現(xiàn)松動疲勞老化損壞等。這些原因均可引起制動裝置制動力矩不足，推不開制動臂，導致制動不靈。

1.2.2 減速器引發(fā)的故障

減速器在原動機和工作機構之間起到匹配轉速和傳遞轉矩的作用，在門式起重機械中其主要故障有：周期性齒輪振動、齒輪嚙合時有不均勻的敲擊聲、減速器整機振動、減速器部門面漏油等。

1.3 運行機構故障原因

起重機大小車運行機構主要由車輪、電動機、減速器、制動器、聯(lián)軸器、傳動軸等組成，其驅動方式主要有分別驅動和集中驅動兩類。起重機大小車運行機構的故障主要是啃軌。由于未按照工藝規(guī)范施工及長期在磨損狀態(tài)中使用，導致車輪輪緣與運行軌道面產生摩擦，其側向推力的存在使得車輪無法沿著軌道的踏面中心而運行，致使啃軌的現(xiàn)象。啃軌會加快軌道磨損，增大運行的阻力，減少車輪使用壽命，嚴重的還會損壞房梁的結構，導致脫軌的事故。造成啃軌的原因比較多，主要有：（1）軌道面有問題。軌道面有油污或者冰雪未能及時清洗。（2）金屬結構的腐蝕變形，尤其是在戶外操作的門式起重機，因為腐蝕變形而引發(fā)了大小車車架對角線非常差，長期操作使得橋架呈菱形狀運轉，致使車輪啃軌。（3）大小車車輪安裝精度差。車輪水平以及垂直方向偏斜非常差，軌道車輪因磨損使單位面積的壓力過大，致使車輪磨損不均，出現(xiàn)啃軌的現(xiàn)象。（4）兩個主動車輪直徑不相等，致使兩側車輪速度不樣，致使車體走斜而咬軌。

2 門式起重機結構優(yōu)化設計的基本方法與步驟

2.1 基本方法

（1）簡單解法。主要包括圖解法和解析法兩種，前者是指在設計空間中做出可行域與目標函數(shù)的等值面，通過在可行域中尋找能夠讓目標函數(shù)取得最小值的位置。

（2）準則法。該方法是從工程和力學的角度出發(fā)，在符合一定準則的條件下，通過迭代方法求解出最優(yōu)解。該方法具有較快的收斂速度，迭代次數(shù)與變量數(shù)目之間沒有必然的聯(lián)系，主要用于結構布局及幾何形狀確定的情況。

（3）數(shù)學規(guī)劃法。為了將復雜的結構問題簡單化，可以將結構問題轉化為數(shù)學規(guī)劃問題，并采用數(shù)學規(guī)劃法進行問題的求解。在進行結構的優(yōu)化過程中，有約束的非線性規(guī)范是比較常用的一種數(shù)學規(guī)劃方法，相較于線性規(guī)劃問題，該種類型的問題比較復雜，并且具有較大的求解難度。

2.2 基本步驟

（1）將結構優(yōu)化問題轉化為與之相應的數(shù)學規(guī)劃問題，并建立適宜的數(shù)學模型；（2）根據(jù)建立的數(shù)學模型和要優(yōu)化的結構特點，選擇有針對性的優(yōu)化算法；（3）將優(yōu)化算法通過計算機語言編寫成相應的迭代程序；（4）通過計算機對迭代算法進行充分的迭代計算，并選出與之相應的最優(yōu)方案；（5）對選出的方案進行更進一步的檢驗，并根據(jù)校驗結進行有針對性的調整。

2.3 iSIGHT優(yōu)化分析及方法

iSIGHT軟件具有非常強大的用戶界面，用戶能夠將工作界面圖形化，再進行產品的設計和優(yōu)化等工作。該軟件能夠將設計中使用的所有軟件進行有效的整合，并自動進行方案的優(yōu)化設計，具有自動化、集成化以及最優(yōu)化等3大優(yōu)化功能。同時，在優(yōu)化循環(huán)的整個過程中，還能夠進行實時的監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控結果對優(yōu)化過程進行有效的調整。iSIGHT軟件主要為用戶提供4種優(yōu)化方法，即數(shù)值優(yōu)化、全局探索法、啟發(fā)式優(yōu)化法以及多目標多準則優(yōu)化算法。

3 結束語

為了提高門式起重機結構的設計質量，就要對其進行結構優(yōu)化設計，并根據(jù)結構特點選擇適宜的優(yōu)化方法，確保優(yōu)化設計工作得以順利實施。深入分析研究優(yōu)化設計的基本概念，在此基礎上，論述了優(yōu)化設計的基本方法和步驟，對于從事優(yōu)化設計工作的人員具有一定的借鑒意義

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