施工升降机结构优化.pdf

1994 二 升 降 本 乡 含 构 优 化北 京 建 筑 工 程 学 院 俞 启 溯内 容 提 要 用 现 代 设 计 有 限 一 优 化 方 法 对 施 工 升 降 机 进 行 结 构 优 化 , 使 施 工 升 降 机 随 不 同 架 设 高度 选 择 不 同 标 准 节 主 弦 杆 截 面 组 合 , 并 对 三 角 形 截 面 类 升 降 机 进 行 了 合 理 截 面 形 状 的 探 讨 。 其 结 果 进 一步 开 发 了 升 降 机 使 用 性 能 , 大 大 地 提 高 了 它 的 经 济 性 。关 键 词 施 工 升 降 机 有 限 一 优 化 标 准 节 主 弦 杆问 题 的 提 出施 工 升 降 机 是 一 种 常 用 建 筑 机 械 , 它 广 泛地 使 用 在 城 市 建 设 的 各 个 场 合 。 目 前 , 随 着 高 层建 筑 以 及 各 种 大 型 结 构 的 不 断 增 加 , 施 工 升 降机 的 需 求 量 也 在 急 剧 地 增 长 。 国 内 施 工 升 降 机按 其 导 轨 架 截 面 形 状 分 为 二 大 类 方 形 截 面 和三 角 形 截 面 升 降 机 。 大 多 数 的 升 降 机 产 品 结 构为 仿 造 瑞 典 公 司 产 品 , 并 在 此 基 础 上进 一 步 使 结 构 粗 壮 。 沿 用 这 种 办 法 对 最 大 架 设高 度 为 以 下 时 , 制 造 成 本 和 使 用 性 能 的关 系 并 不 十 分 突 出 。 现 在 各 种 高 大 结 构 不 断 出现 , 对 施 工 升 降 机 要 求 架 设 到 甚 至 有 的要 求 突 破 高 度 。 在 这 样 的 情 况 下 , 如 何 合理 选 择 标 准 节 主 弦 杆 截 面 尺 寸 就 将 是 一 个 十 分重 要 的 问 题 。 为 了 探 讨 这 个 问 题 , 运 用 现 代 设计 方 法 中 有 限 一 优 化 方 法 对 施 工 升 降 机 进 行 结构 计 算 和 优 化 。有 限 一 优 化 模 型 建 立考 虑 到 施 工 升 降 机 导 轨 架 结 构 特 点 及 其 主要 杆 件 的 受 力 状 况 , 将 导 轨 架 主 弦 杆 和 每 个 标准 节 上 、 中 、 下 三 框 取 为 梁 单 元 , 标 准 节 齿 条 和各 斜 支 撑 腹 杆 则 取 为 空 间 析 架 单 元 。 这 样 模 型的 建 立 可 大 大 地 减 少 单 元 自 由 度 数 , 节 省 了 机时 , 简 化 了 数 据 前 后 处 理 的 工 作 量 。 各 个 附 着 支撑 架 均 按 自 然 节 点 作 为 有 限 元 节 点 划 为 梁 单 元纳 入 有 限 元 模 型 。 由 于 升 降 机 的 架 设 高 度 很 大 ,即 使 是 这 样 处 理 , 此 时 模 型 的 节 点 数 和 单 元 自由 度 数 使 一 般 微 处 理 机 还 是 难 以 承 受 。 为 了体 现 整 机 模 型 的 真 实 性 , 又 能 得 到 具 体 感 兴 趣部 位 的 细 部 应 力 , 将 整 个 升 降 机 视 为 一 个 多 跨梁 进 行 初 算 , 将 所 得 到 的 结 果 作 为 进 一 步 关心 部 位 的 边 界 条 件 进 一 步 细 化 , 以 求 得 更 为 精细 的 数 据 结 果 。 经 过 这 样 的 处 理 对 于 架 设 高 度很 大 的 升 降 机 结 构 计 算 有 明 显 的 优 点 , 为 了 便于 理 解 模 型 的 建 立 , 将 一 标 准 节 展 开 , 在 平 面 展开 图 里 看 节 点 位 置 和 单 元 组 成 。 对 二 类 施 工 升降 机 均 给 出 一 标 准 节 有 限 元 模 型 图 , 见 图 节 点 号 梁 单 元 号 析 架 单 元 号结 构 工 况 分 析根 据 和 升 降 机 的 安 装 、 工 作 状况 来 确 定 其 危 险 截 面 部 位 , 并 将 其 代 入 有 限 一优 化 模 型 进 行 结 构 计 算 和 优 化 。 二 大 类 施 工 升降 机 的 危 险 部 位 是 一 致 的 。 它 们 的 不 同 仅 在 于最 大 额 定 载 荷 与 单 笼 自 重 不 一 样 , 它 们 对 导 轨架 产 生 的 效 果 也 将 不 一 样 。施 工 升 降 机 在 安 装 工 况 时 , 吊 笼 升 至 最 高一 个 附 着 架 以 上 进 行 接 节 , 这 时 顶 部 悬 臂 部 份对 最 上 面 的 附 着 架 是 一 种 悬 臂 工 况 。 上 面 标 准节 部 份 相 当 于 一 个 悬 臂 梁 , 此 时 悬 臂 部 份 标 准节 下 部 截 面 是 危 险 截 面 之 一 。 升 降 机 在 最 大 额定 载 荷 下 工 作 , 并 且 此 时 整 个 导 轨 架 已 架 设 到一 定 高 度 , 导 轨 架 底 部 标 准 节 不 但 受 到 额 定 载荷 , 笼 重 , 风 载 对 它 的 影 响 , 匕 部 巨 大 自 重 也 将 1994 。 此 工 况下 导 轨 架 标 准 节 底 部 截 面 也 是 另 一 个 危 险 截面 。 满 载 吊 笼 在 上 、 下 运 行 时 , 在 它 经 过 的 标 准节 齿 条 上 将 随 机 地 作 用 一 个 载 荷 。 这 时 的 工 况不 如 上 面 讨 论 的 工 况 恶 劣 。大 大 地 减 少 了 设 计 变 量 的 个 数 , 使 优 化 问 题 求解 容 易 多 了 。设 计 变 量根 据 导 轨 架 标 准 节 结 构 , 对 方 形 截 面 施 工升 降 机 有 限 一 优 化 模 型 为 个 单 元 , 三 角 形 截面 施 工 升 降 机 为 个 单 元 。 以 图 为 例 , 方 形截 面 标 准 节 主 弦 杆 一 二 共 有 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、个 单 元 。 三 角 形 截 面 标 准 节 主 弦 杆 上 有 、 、 、 、 、 、 、个 单 元 。 选 取 这 些 单 元 的 外 径 、 内 径 作 为 优 化 参数 。 在 标 准 节 上 、 中 、 下 三 框 上 , 有 些 单 元 是 相 同的 , 仅 在 结 构 上 以 自 然 节 点 出 现 , 故 可 合 并 。 对方 形 截 面 选 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 个 单 元 , 对 三 角 形 截面 选 、 、 、 、 、 、 、 个 单 元 的 型 钢 厚 度 作 为 优 化 参 数 。设 计 变 量 为 , , , , 目 标 函 数有 限 一 优 化 目 标 是 使 施 工 升 降 机 在 不 同 的最 大 架 设 高 度 使 用 不 同 标 准 节 主 弦 杆 截 面 的 组合 。 其 目 标 是 在 保 证 施 工 升 降 机 的 使 用 性 能 前提 下 使 整 个 导 轨 架 重 量 最 轻 , 故 目 标 函 数 是 整个 导 轨 架 的 重 量 。蛋舫乙 口尸每摊摊 鞠鞠 必 洲 ”叉叉叉叉叉叉狱 泛泛 旦 乌 二 兴兴 卫 认 一 一 一 一 一 一 一一了了了 溉 又 。图方 形 截 面 三 角 形 截 面结 构 优 化优 化 设 计 的 关 键 是 数 学 模 型 的 建 立 。 在 优化 设 计 问 题 中 , 设 计 变 量 的 个 数 决 定 了 设 计 空间 的 维 数 。 设 计 变 量 越 多 , 设 计 空 间 的 维 数 越高 , 就 意 味 着 优 化 设 计 问 题 所 考 虑 的 因 素 也 多 ,优 化 设 计 的 自 由 度 也 就 越 大 , 在 理 论 上 也 可 以得 到 较 理 想 的 结 果 。 但 是 设 计 变 量 越 多 , 目 标 函数 和 约 束 函 数 中 的 变 量 也 就 越 多 , 就 使 优 化 设计 问 题 愈 复 杂 , 求 解 愈 困 难 。 根 据 施 工 升 降 机 的优 化 目 的 , 在 尽 可 能 减 少 其 维 数 的 情 况 下 将 标准 节 主 弦 杆 的 内 、 外 径 和 上 、 中 、 下 三 框 连 接 齿条 部 份 型 钢 厚 度 作 为 设 计 变 量 , 经 过 这 样 处 理 ,月 , 一 晋 答 , 一 “ 子 ,“ 、砚艺 , 牛密 度 , 主 弦 杆 部 份 单 元 长 度 , , 型 钢 部 份 单 元长 度 , 型 钢 截 面 积 均 为 设 计 常 数 。约 束 条 件根 据 受 力 杆 件 必 须 满 足 强 度 , 刚 度 和 稳 定性 条 件 则, 镇 叮 人 镇 力、 , 镇 综 上 所 述 , 优 化 数 学 模 型 1994 口 关 成 力一 , , , , ,尸 、 簇 , , , 刀, , ,任之 乏算 法 和 程 序 框 图 如 图 。用 “ ” 语 言 编 制 优 化 程 序 然 后 将源 程 序 进 行 编 译 来 进 行 使 用 。砚砚 怜 没 计 餐 数数“ 了 , ,弦 杆 标 准 节 。 对 于 不 同 的 机 型 , 如 单 笼 带 对 重 双笼 带 对 重 , 单 、 双 笼 不 带 对 重 , 它 们 的 优 化 结 果是 不 一 样 的 。 当 然 , 对 于 不 同 规 格 的 主 弦 杆 标 准节 , 它 们 所 允 许 的 架 设 高 度 也 是 不 一 样 的 。, 重 量 对 比当 施 工 升 降 机 架 设 高 度 为 时 , 若 不进 行 有 限 一 优 化 , 在 保 证 结 构 强 度 的 条 件 下 必须 从 下 至 上 使 用 某 种 规 格 的 主 弦 杆 标 准 节 , 女 珍卯 , 此 时 导 轨 架 整 体 重 量 为 , 而 注行 截 面 有 限 一 优 化 后 , 此 时 导 轨 架 整 体 重 量 为。 仅 从 主 弦 杆 这 一 项 优 化 结 果 看 , 一 部施 工 升 降 机 可 节 省 近 的 钢 材 。 这 样 的 结 果 大大 地 降 低 了 它 的 经 济 性 能 指 标 。表 不 同 截 面 形 状 标 准 节 高 应 力 部 位 应 力 值图有 限 一 优 化 结 果 和 分 析截 面 形 状 和 截 面 公 称 尺 寸对 三 角 形 截 面 类 施 工 升 降 机 的 有 限 一 优 化结 果 看 , 目 前 应 用 较 多 的 等 腰 直 角 三 角 形 、 等 边三 角 形 和 等 腰 三 角 形 截 面 中 , 以 等 腰 三 角 形 的结 构 强 度 和 刚 度 为 最 好 。 从 结 果 上 看 , 高 应 力 区部 位 在 主 弦 杆 和 上 、 中 、 下 三 框 横 腹 杆 上 均 在不 同 程 度 上 有 所 下 降 , 某 些 部 位 有 较 大 幅 度 下降 。 结 果 可 从 表 中 看 出 。 这 些 高 应 力 区 部 位受 力 状 况 的 改 变 无 疑 对 于 改 善 升 降 机 导 轨 架 的受 力 状 况 , 提 高 其 承 载 能 力 是 十 分 有 益 的 。 等 腰直 角 三 角 形 截 面 之 所 以 应 用 较 广 , 主 要 是 这 种截 面 的 升 降 机 在 与 建 筑 物 附 着 连 接 时 最 为 方便 。 从 方 形 截 面 类 施 工 升 降 机 的 有 限 一 优 化 结果 看 , 对 于 架 设 高 度 超 过 的 升 降 机 均 可分 段 按 不 同 机 型 用 不 同 内 径 尺 寸 的 主 弦 杆 标 准节 进 行 组 成 。 为 了 不 使 施 工 升 降 机 的 标 准 节 规格 过 于 复 杂 , 所 以 , 一 般 只 取 三 种 不 同 内 径 的 主部部 位位 等 腰 直 角 三 角 形形 等 边 三 角 形形 等 腰 三 角 形形横横 腹 杆杆横横 腹 杆杆横横 腹 杆杆横横 腹 杆杆横横 腹 杆杆主主 弦 杆杆主主 弦 杆杆主主 弦 杆杆主主 弦 杆杆表 不 同 架 设 高 度 导 轨 架 截 面 优 化 结 果高高 度度 第 一 段段 第 二 段段 第 三 段段争争争争争争 争 争小小小 争 争结 论施 工 升 降 机 在 架 设 高 度 大 转 以上 时 均 可 进 行 截 面 优 化 。 用 不 同 公 称 尺 寸 的 主弦 杆 标 准 节 进 行 组 合 , 可 大 大 降 低 施 工 升 降 机制 造 的 经 济 指 标 。三 角 形 截 面 类 施 工 升 降 机 以 等 腰 三 角 1994 , 在 这一 转 速 下 , 回 转 马 达 消 耗 掉 其 泵 的 全 部 流 量 , 在恒 功 率 变 量 系 统 中 无 论 是 分 功 率 调 节 还 是 全 功率 调 节 , 这 一 流 量 都 是 指 变 量 泵 的 最 大 流 量 , 但转 台 从 静 止 状 态 逐 步 加 速 到 匀 速 状 态 , 分 功 率和 全 功 率 调 节 系 统 起 动 过 程 所 经 历 的 阶 段 却 不完 全 一 样 , 分 功 率 调 节 , 因 马 达 的 缓 冲 制 动 阀 的压 力 调 定 值 总 是 高 于 单 泵 的 始 调 压 力 而 低 于 系统 工 作 压 力 , 所 以 起 动 过 程 总 分 为 两 个 阶 段 , 即转 台 加 速 到 其 马 达 能 消 耗 掉 由 缓 冲 制 动 阀 的 压力 调 定 值 所 决 定 的 泵 的 流 量 前 是 恒 力 矩 阶 段 ,其 后 是 恒 功 率 阶 段 , 无 论 另 一 回 路 的 执 行 元 件通 常 是 动 臂 液 压 缸 有 无 动 作 , 起 动 过 程 的 两个 阶 段 或 说 起 动 过 程 的 速 度 图 都 不 会 因 之 而 改变 。 全 功 率 变 量 系 统 则 情 况 可 能 较 为 复 杂 , 通 常回 转 马 达 的 缓 冲 制 动 阀 其 压 力 调 定 值 往 往 比 两泵 全 功 率 调 节 的 始 调 压 力 。 来 得 低 , 所 以 当转 台 单 独 回 转 而 无 其 它 任 何 一 个 执 行 元 件 随 之动 作 时 , 泵 始 终 以 最 大 流 量 向 马 达 供 油 , 转 台 起动 过 程 同 定 量 系 统 一 样 是 恒 力 矩 作 用 下 的 匀 加速 过 程 , 直 到 其 马 达 将 泵 的 最 大 流 量 全 部 吸 收 ,从 此 进 入 匀 速 回 转 状 态 。 但 是 , 在 实 际 工 作 中 为了 提 高 生 产 率 , 挖 掘 结 束 动 臂 就 立 即 提 起 铲 斗 ,一 旦 离 开 土 坑 便 一 边 继 续 提 臂 一 边 开 始 回 转 ,两 路 的 压 力 和 , 将 高 于 始 调 压 力 。 , 所以 在 起 动 过 程 的 阶 段 性 上 与 分 功 率 调 节 相 似 ,都 由 恒 力 矩 和 恒 功 率 两 段 组 成 , 其 差 别 在 于 , 分功 率 调 节 两 阶 段 的 划 分 仅 与 缓 冲 制 动 阀 的 压 力调 定 值 有 关 , 不 因 另 一 回 转 的 执 行 元 件 有 无 动作 而 改 变 全 功 率 调 节 , 两 阶 段 的 划 分 不 但 与 缓冲 制 动 阀 的 压 力 调 定 值 有 关 , 而 且 与 另 一 回 路中 执 行 元 件 有 无 动 作 及 由 于 执 行 动 作 而 造 成 的压 力 有 关 , 故 在 不 明 确 另 一 回 路 的 压 力 变 化 的情 况 下 , 不 能 确 定 两 阶 段 的 划 分 。 另 外 , 进 入 恒功 率 阶 段 之 后 , 液 压 总 功 率 在 两 回 路 之 间 的 分配 也 与 分 功 率 调 节 不 同 , 分 功 率 调 节 , 恒 功 率 阶段 回 转 液 压 功 率 总 是 总 液 压 功 率 的 一 半 , 而 全功 率 调 节