超高重载型起重运输装备关键件结构设计_贾思敏.pdf
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1、512023 年第 12 期/DESIGN CALCULATION设计计算超高重载型起重运输装备关键件结构设计贾思敏1,2 尹道骏3 高汉富3 姚志坚3 翟 华1,2 1 航空结构件成形制造与装备安徽省重点实验室 合肥 230009 2 合肥工业大学工业与装备技术研究院 合肥 2300093 合肥井松智能科技股份有限公司 合肥 230012摘 要:超高重载型起重运输装备可以提高空间的利用率和对大型重载货物的处理效率,近年来需求急剧上升。由于超高重载型起重运输装备关键件尺寸大、质量重、受载工况特殊复杂,以往对中小型起重机械的研究方法并不适用,现今此类机械主要研究方法是数值分析有限元法分析研究。文
2、中对已有超高重载型起重运输装备关键件结构设计进行分析总结,探讨了关键件结构设计存在的问题和共性方法,提出了创建超高重载型起重运输装备数字孪生系统监测设备重要指标和设计方案,为超高重载型起重运输装备关键件结构设计提供了参考。关键词:起重运输装备;超高;重载;有限元法;数字孪生;设计中图分类号:TH242 文献标识码:A 文章编号:1001-0785(2023)12-0051-07Abstract:Ultra-high and heavy-duty lifting and transportation equipment can improve the utilization of space a
3、nd the handling efficiency of large and heavy-duty goods.In recent years,the demand for this equipment has risen sharply in the market.The key parts of ultra-high and heavy-duty lifting and transportation equipment are large in size,heavy in weight and complicated in loading conditions,so the previo
4、us research methods of small and medium-sized lifting machinery are not applicable.At present,the research of this kind of machinery is mainly carried out by numerical analysis finite element method.In this paper,the structural design of the key parts of the existing ultra-high and heavy-duty liftin
5、g and transportation equipment is analyzed and summarized,the problems and common methods in the structural design of the key parts are discussed,and the important indexes and design scheme of the digital twin system monitoring equipment for the ultra-high and heavy-duty lifting and transportation e
6、quipment are put forward,which provides reference for the structural design of the key parts of the ultra-high and heavy-duty lifting and transportation equipment.Keywords:lifting and transportation equipment;ultra-high;heavy-duty;finite element method;digital twins;design0 引言超高重载型起重运输装备是指高度超过 12 m、
7、载重量 8 t 以上的作业专用装备,主要包括立式仓库超高重载型堆垛机、集装箱码头龙门起重机、道路抢险或救援汽车起重机等大型起重运输装备。超高重载型起重运输装备的关键件因尺寸大、负载变化大、工作环境复杂等因素相比于小型起重运输装备容易发生危险,且修复较困难,已有的对中小型起重运输机械的研究方法和设计经验并不适用。本文阐述了超高重载型机械结构的共性与差异性研究现状,探讨了关键件结构设计共性方法,构建了超高重载型起重运输装备数字孪生系统监测设备重要指标和设计方案,为超高重载型起重运输装备关键件结构的设计提供了参考。1 超高重载型起重运输装备关键件典型的超高重载型起重运输装备主要有超高立式仓库重载型堆
8、垛机、集装箱码头龙门起重机、道路抢险或救援汽车起重机等机械设备。超高重载型起重运输装备关键件具有高度高、跨度大、载重大、工作环境复杂、载荷变化频次高等特点。如图 1a 所示,集装箱码头龙门起重机关键件是横梁和柔性支腿,主要为简支梁受力方式,横梁以贾思敏,尹道骏,高汉富,等.超高重载型起重运输装备关键件结构设计 J.起重运输机械,2023(12):51-57.引 用 格 式52/2023 年第 12 期及柔性支腿为主要承载结构。汽车起重机工作时吊臂需要升起且倾斜一定角度,受力方式主要为复杂弯扭工况。如图1b所示,超高重载型堆垛机的关键件是立柱,其受力有 2 种情况:1)提升货物时受力主要为简支梁
9、受力形式;2)存取货物时货叉对外伸出,货物以及货叉会对堆垛机立柱施加弯矩。如图 1c 所示,吊臂是汽车起重机的关键件,其伸出的长度与升起高度对其的受力有影响,全缩臂工况时起重量最大,全伸臂工况时起重量最小。(a)龙门起重机(b)堆垛机(c)汽车起重机图 1 超高重载型起重机装备2 关键件结构优化设计2.1 轻量化设计超高重载型机械的起重量较大,为保证机械结构的刚度和强度能满足要求,减少危险事故,防止机械的倾覆,通常采用增加机械结构材料使用量的方式提升零件的刚度和强度,很容易造成材料的冗余,故要对超高重载型机械结构进行优化设计。目前,已有学者着重关注结构质量优化,以静强度、静刚度作为设计准则,采
10、用有限元分析软件对不同种类超高重载型机械结构去除冗余材料;超高重载起重装备关键结构件都存在不同程度设计冗余情况,通过有限元分析方法与软件的使用可提高材料的使用率。Chen Z W 等1对最大起重量 50 t 的汽车起重机伸缩臂结构进行结构优化,以伸缩臂最小质量为设计准则,在有限元软件中优化迭代,伸缩臂总质量由 2.954 t 降低到 2.236 t,质量降低了 24.3%;吕振伟等2考虑到汽车起重机车架由高强板拼焊而成,受力状态难以通过公式运算,以 25 t 起重机底架为例,对强度不足之处进行结构优化,建议优选材料,改善局部结构,降低了应力集中;黄伟莉等3,4以 32 t 龙门起重机箱形主梁为
11、研究对象,通过有限元软件对箱形主梁进行轻量化设计,优化后的质量减轻了 8.4%,主梁结构优化后动态特性满足设计要求;程鹏等5对 QY50 汽车起重机起重臂截面进行拓扑优化,改进后起重臂自重减少 21.1%;Zeng Q D 等6对跨度为 37 m 龙门起重机改造提出 4 种方案,得知刚性支腿外侧加强后起重机刚度明显提高;费烨等7采用变密度方法对 QY70 型汽车起重机起重臂进行截面拓扑优化,改进后的起重臂自重减少 9.99%;徐晓东等8依据拓扑优化理论对龙门起重机主梁腹板结构进行优化,获得主梁腹板的新型机构;蒋君侠等9提出了一种基于 V 形滚轮接触力计算方法的刚度求解方法,优化后刚度整体提升了
12、 23.9%;宁波等10对单立柱巷道堆垛机进行结构优化,将整体刚度提高了 7.69%,下横梁质量减少了 9.96%;周炜等11对有轨巷道堆垛机的关键承载结构立柱进行了力学分析,拓扑优化结果后DESIGN CALCULATION设计计算532023 年第 12 期/DESIGN CALCULATION设计计算立柱结构减轻了 15%。Gai M M 等12采用确定极值的拉格朗日乘子与微分算法,对汽车起重机臂架截面参数进行优化;Si Y H 等13提取了双箱门式起重机小车在跨中和悬臂时前 10 阶模态,为结构优化设计提供了依据;Li J 等14对典型约束工况下的履带起重机臂架,基于多岛遗传算法建立了
13、一种臂架可靠性优化设计算法,为大型复杂工程机械的可靠性研究提供理论依据。2.2 不同工况下的危险点超高重载型起重运输装备跨度大,工作情况复杂,例如龙门起重机的货车在横梁不同位置提升货物时,横梁、柔性支腿和刚性支腿受力情况不同,汽车起重机全伸臂与全缩臂状态时吊升货物中的质量及受力均存在差异,每种情况下的危险点也不同。漆静等15对主起重载荷为 400 t 的大型双梁龙门起重机进行有限元分析,得到 6 种不同工况下机械结构刚度强度;Suh K 等16指出现有学者对军用起重机的起重能力、结构强度缺乏研究,对不同工况下的起重能力进行评估,分析了吊杆长度、倾角等对最大起重载荷的影响;张连文等17考虑了 4
14、 种典型位置和 4 种载荷共16 种工况,对正面吊的吊臂结构进行分析;张莹洁等18对起升高度为 50 m 的门式起重机小车位于门架跨中、跨中左极限、跨中右极限等 3 个典型位置进行计算,采用力矩法校核门架的抗倾覆稳定性;吴瀚晖19采用有限元分析方法对 90 t 汽车起重机吊臂进行应力以及变形分析,对吊臂高应力部位进行试验,试验测量应力与有限元分析结果较为接近,相对偏差小于 10%;程远禄等20对 QY80 型汽车起重机吊臂结构的全伸臂工况进行了有限元分析,结果显示吊臂在变幅平面内可采用添加加强筋对结构进行优化,以提高结构刚度;Li X P等21对起重机伸缩臂采用传统力学、有限元分析和实验测量等
15、方法进行分析,计算结果显示 3 种结果差异较小。Li H Y 等22研究了汽车起重机全伸臂状态下0 80 吊臂的力学性能,最大应力出现在相互连接臂架的滑块附近;Kumar N 等23采用公式计算了负载集中在臂头时起重机每节臂的危险点情况;Sowa L 等24对龙门起重机横梁工字梁和 T 字形梁横截面进行分析,工字梁的应力峰值区域位于梁端部和垂直支架的连接处,T 字形梁在梁的中间位置应力水平明显较高;蔡晨晨等25对 63 t 双梁门式起重机主要承受载荷分别位于跨中和端部时进行分析,梁的刚度与强度均能满足要求,且存在很大优化空间。由以上研究可知,超高重载型起重运输装备因其跨度大、工作情况复杂而容易
16、产生危险事故,各位学者主要聚焦最危险工况进行重点研究,初步开展试验研究。研究工作主要集中在关键结构件应力集中区,认为当最危险情况机械性能可以满足要求,其余工况基本都不存在危险。然而,实际最危险工况可能并不止一种,可靠性技术和机械概率设计等应用尚未开展,故研究有待进一步深入。2.3 差异性每种超高重载型起重运输装备关键件结构都有其各自的受力模型,每个模型都有其特点。例如龙门起重机的受力模型为简支梁模型,单立柱巷道堆垛机的受力模型为悬臂梁。各种关键件机械结构之间存在联系,如当双立柱堆垛机携带货物运动时,与龙门起重机起重货物受力相仿,但双立柱堆垛机携带货物整体运动,堆垛机立柱会受到本身的惯性力影响。
17、二者既有相似之处,可以共用一些设计方法,但应考虑工作负载及工况的显著差异性。在一种装备结构件上的设计方法应用在不同装备关键结构件时,需要重视载荷差异性产生的影响。黄府26根据大型龙门起重机的提升工艺,针对主梁提升过程中受力集中区域提出新型吊装结构设计方案,并进行强度计算,结果满足要求;Abid M 等27基于有限元方法对起重 150 t、跨度 32 m 的龙门起重机箱形主梁进行参数化设计,并通过改变沿梁长方向水平加强筋的数量、形状和位置,以及沿垂直方向加强筋的数量和位置等方法进行优化设计,最大挠度和应力减小到28.18 mm 和 129 MPa;董达善等28对超高龙门起重机整体结构稳定性进行分
18、析,传统的线性设计没有考虑超高起重机梁杆结构形态发生变化,直接采用未变型结构形态进行计算,二者之间存在差距;Zhang D P 等29指出挠度是大吨位龙门起重机重要安全检验指标,但在实54/2023 年第 12 期际现场进行试验难度较大或无法进行试验,提出通过测量横梁 3 点,在小载荷情况下的挠度预测大吨位龙门梁挠度的方法;李岩等30采用叠加原理对 8 m 高双立柱单轨巷道堆垛机整体挠度进行研究,理论分析结果与有限元理论计算结果相差不大;董先瑞等31研究堆垛机货叉存取货物冲击振动问题,对研制出的样机进行受力和模态测试,得到了优化后货叉的挠度;尹道骏32研究双立柱巷道堆垛机载货台结构的可靠性,结
19、果显示强度、刚度满足要求,为立柱结构优化提供理论依据;潘春荣等33研究转弯过程中的单立柱堆垛机,采用叠加原理求得总变形,提出增加立柱壁厚,增加立柱截面惯性矩等 2 种方法,有效降低堆垛机运行过程中立柱的变形;成家豪等34对 40 m 高的巷道堆垛机立柱进行静态结构分析,将单立柱巷道堆垛机简化为悬臂梁模型,分析其变截面与等截面对结构变形量影响;薛成超等35研究双立柱堆垛机立柱整体挠度曲线,采用结构力学中的角变位法以及叠加原理,对原模型和考虑下横梁自重、有效载荷、惯性力等因素的改进模型进行仿真;Lu F Y等36以 50 t 汽车起重机伸缩臂为例,指出机械结构的可靠性主要由荷载效应 S 和阻力 R
20、 决定,分别以侧向荷载、材料弹性模量、风载和偏心弯矩为随机变量,铰接部位最大应力(Smax)和 Z 作为输出变量,采用拉丁超立方抽样的蒙特卡罗方法计算可靠性。3 关键件数字孪生系统3.1 大型结构件实验研究在进行深入理论分析的同时,部分学者对超高重载型起重运输装备关键件开展了有效的实验研究。张燕燕等37对 QY25K 型汽车起重机全伸臂工况下吊臂进行有限元分析,采用 YJ-18 型静态电阻仪进行应力测试,结果显示有限元分析与实际测量误差在 10%以内;Savkovi M 等38对起重机伸缩臂每段接触区域局部应力进行分析,并通过有限元与理论计算出接触区域的局部应力应变大小,创建分析模型,采用应变
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