（机械电子工程专业论文）基于可重用信息资源的起重机快速设计系统建模.pdf

济南火学硕卜学位论文 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼舅曼皇曼量曼曼曼曼曼皇i , - - _ m 曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼 摘要 起重机被广泛地应用在国民经济建设的各个领域，己经形成系列化的产品。随 着经济建设的发展，用户对其性能要求越来越高，同时对产品的个性要求也越来越 多样化。长期以来起重机械的设计大多采用半理论、半经验的类比法、直觉法等传 统的设计方法进行手工计算、绘图，设计过程反复多，周期长，设计的精确度差， 而且不同设计人员设计出来的机构往往也有较大差异。为此本文提出构建起重机快 速设计系统，为设计人员提供高效的设计环境，提高设计效率。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 依据起重机典型结构，以桥式起重机为例，对其设计特点、结构构成、 性能参数进行分析，建立起重机可重用信息模型，在此基础上建立了起重机快速设 计系统构架。 ( 2 ) 通过对起重机进行功能分析，以基于接口关系的模块划分方法，制定了 起重机模块划分策略，并依据此方法完成了对桥式起重机典型结构的模块划分，为 组建可重用信息数据库打下了基础。 ( 3 ) 以桥式起重机设计计算过程分析为基础，制定快速设计系统检索策略， 相应的给出了典型桥式起重机的产品级、模块级相似度计算实例，并确定了对此系 列起重机产品进行检索时的检索阈值。 ( 4 ) 依据可重用信息模型，建立起重机数据管理模型以及相关的模块编码体 系，并据此构建了可重用信息数据库数据表的结构。 ( 5 ) 综合研究结果，通过实例验证起重机快速设计系统建模的可行性，为起 重机快速设计系统开发打下理论基础。 关键词：起重机；快速设计系统；可重用信息 v 济南大学硕l j 学位论文 a b s t r a c t t h ec r a n ew h i c hw a sw i d e l yu s e di ne v e r ya r e ao ft h en a t i o n a le c o n o m i c c o n t r i b u t i o n sh a sc o m ei n t ob e i n gas e r i e so fp r o d u c t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h er e q u i r e m e n t so fp e r f o r m a n c e sf o ru s e r sa r ei n c r e a s i n g l yh i g h ，w h i l et h er e q u i r e m e n t s o fp r o d u c t s p e r s o n a l i t yb e c o m em o r ea n dm o r ed i v e r s i f i e d f o ral o n gp e r i o do ft i m e ， t h ed e s i g no fm o s tl i f t i n gm e c h a n i c st a k et h em e t h o d so fs e m i t h e o r e t i c a l ，s e m i e m p i r i c a l a n a l o g y , i n t u i t i o n ，a n do t h e rt r a d i t i o n a lm e t h o d sf o rm a n u a lc a l c u l a t i n ga n dd r a w i n g ， w h i c hm a k et h ed e s i g n i n gp r o c e s si sr e p e a t e d l y , l e n g t h e nt h ed e s i g nc y c l e ，d e c r e a s et h e d e s i g na c c u r a c y , f u r t h e r m o r e ，t h em a c h i n e sd e s i g n e db yd i f f e r e n tp e r s o n n e lo f t e nh a v ea g r e a td i s c r e p a n c y f o rt h i sr e a s o n ，b u i l d i n gar a p i dd e s i g n i n gs y s t e mo ft h ec r a n ei s b r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e r , w h i c hi sa i m e dt op r o v i d eh i 曲l ye f f i c i e n td e s i g n i n g e n v i r o n m e n ta n di m p r o v et h ed e s i g n i n ge f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , t h em a i nc o n t e n t so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t a k i n gt h eb r i d g ec r a n ea sa ne x a m p l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g n ， c o m p o s i t i o no ft h es t r u c t u r e ，p a r a m e t e r so ft h ep e r f o r m a n c ei sa n a l y z e db a s e do nt h e t y p i c a ls t r u c t u r eo fac r a n e ，a n dar e u s a b l ei n f o r m a t i o nm o d e lo fc r a n ei ss e tu p ，b a s e do n t h i s ，t h ea r c h i t e c t u r eo ft h er a p i dd e s i g n i n gs y s t e mo ft h ec r a n ei ss e tu p ( 2 ) t h es t r a t e g yo fc r a n em o d u l a rd i v i s i o ni sc o n s t i t u t e dt h o u g hf u n c t i o n a la n a l y s i s o fac r a n ea n dm e t h o do fm o d u l ed i v i s i o nb a s e do nt h ei n t e r f a c e - r e l a t i o n s h i p t h e d i v i s i o no fb r i d g ec r a n et y p i c a ls t r u c t u r eh a sb e e nc o m p l e t e db ys t r a t e g ya n di su s e df o r t h ec o n s t i t u t i o no fr e u s a b l ei n f o r m a t i o nd a t a b a s e ( 3 ) t h er a p i dd e s i g n i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i so fd e s i g n i n ga n d c a l c u l a t i n gp r o c e s so fb r i d g ec r a n e t h ee x a m p l e so ft y p i c a lb r i d g ec r a n ep r o d u c t l e v e l a n dm o d e l l e v e ls i m i l a r i t ya r el i s ti nt h i sp a p e r , a n dt h r e s h o l dv a l u ei sd e t e r m i n e dw h e n t h e s es e r i a lc r a n e sa r es e a r c h e d ( 4 ) c r a n ed a t am a n a g e m e n tm o d u l ea sw e l la sc o r r e l a t i v em o d u l ec o d es y s t e mo f t h ec r a n ei ss e tu pa c c o r d i n gt ot h er e u s a b l ei n f o r m a t i o nm o d e l t h e nt h eo r g a n i z a t i o n s t r u c t u r er e u s a b l ei n f o r m a t i o nd a t a b a s ei se s t a b l i s h e db ym a n a g e m e n tm o d u l ea n d v l l 基于可霞用信息资源的起重机快速设计系统建模 m o d u l ec o d es y s t e m ( 5 ) s y n t h e s i z i n gt h ef i n d i n g s ，a ni n s t a n c ei s u s e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f m o d e l i n go ft h er a p i dd e s i g n i n gs y s t e mo fc r a n e ，w h i c hl a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to ft h er a p i dd e s i g n i n gs y s t e mo fc r a n e k e y w o r d s ：c r a n e ；r a p i dd e s i g n i n gs y s t e m ；r e u s a b l ei n f o r m a t i o n v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：三阻 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：当：皇坐导师签名：论文作者签名：立：笪芝导师签名： 11 概述 第一章绪论 随着经济的全球化、市场竞争的日益激烈，我国的制造业面临着巨大的挑 战，制造企业必须提高复杂产品及设备的创新能力和快速响应市场的能力，才 能在全球竞争的范围内立于不败之地。加入w t o 以来关税壁垒保护的丧失， 我国起重机机械行业也面临着更加激烈的市场竞争。根据市场预测，我国对工 程机械的需求量为7 6 0 亿元左右。国家公布的工程机械行业在“十五”期间的 发展目标为：“十五”期间，经过行业结构调整，振兴发展国产工程机械在国 内市场占有率达到g o * * ，为6 1 0 亿元，出口额达到4 0 亿元，共计总产值及销售 额达到6 5 0 亿元。制造企业为扩大竞争和生存空间，必须增强产品创新能力、 缩短设计周期、提高用户化程度，同时又要降低成本，保证质量及良好的售后 服务。以缩短产品设计开发周期为目标的快速设计技术是使企业在市场竞争中 占据有利地位的关键技术。随着市场竞争日益激烈，快速设计技术亦日盏受到 人们的广泛关注【l , 2 1 。 图1 1 桥式起重机 起重机作为机械行业必不可少的起重设备，从结构上讲，它可分为：桥式、 门式、臂架式、门座式起重机等类型，其中桥式起重机多作为厂房、车间的起 重设备，应用较为广泛。它是桥架型起重机的一种，它依靠起升机构和在水平 基于可帚用信息资源的起芎机快速设计系统建模 面内的两个相互垂直方向移动的运行机构，能在矩形场地及其上空作业，是工 矿企业广泛使用的一种起重运输机械( 如图1 1 ) 。它具有承载能力大，工作可 靠性高，制造工艺相对简单等优点。起重机械在现代化生产过程中的被广泛地 应用在国民经济建设的各个领域，产品目前己经形成多个系列1 3 , 4 1 。随着国民经 济的发展，用户对起重机的开发质量提出了更高的要求，同时对产品的个性要 求也越来越多样化【5 1 。 1 1 1 国内起重机发展现状 综合近几年来国内起重机发展动向，其特点主要有【6 ，7 】： ( 1 ) 改进机械结构，减轻自重1 8 , 9 , 1 0 】 国内桥式起重机多己经采用计算机优化设计，以此提高整机的技术性能和 减轻自重，并在此前提下尽量采用新结构。如5 - 5 0 t 通用桥式起重机中采用半 偏轨的主梁结构，与正轨箱形相比，可减少或取消短加筋板，减少结构重量， 节省加工工时。 ( 2 ) 吸收利用国外先进技术 应用德国d e m a n g 公司的”三合一”驱动装置的起重机大小车运行机构，由 于吊挂于端梁内侧，使其不受主梁下挠和振动的影响，不但提高了运行机构的 性能和寿命，并且使其结构更加紧凑，外形美观，安装维修亦更方便。电气控 制方面采用国外新颖的节能调速系统，并对其技术进行了消化吸收。如晶闸管 串级开环或闭环系统，调整比可达1 ：3 0 。随着对调速要求的提高，变频调速系 统也将应用于起重机。 ( 3 ) 大型化起重机 出于国家对能源工业的重视和资助，而建造的许多大中型水电站，发电机 组越来越大。特别是长江三峡的建设对大型起重机的需求量迅速上升。三峡电 厂需要1 2 0 0 1 桥式起重机和2 0 0 0 t 大型塔式起重机。 1 1 2 国外起重机发展动向 当前，国外起重机发展则有以下几大特征【1 1 1 ： ( 1 ) 简化设备结构，减轻自重，降低生产成本 法国p a t a i n 公司采用了一种以板材为基本构件的小车架结构，具有重量轻， 加工方便，适应于中、小吨位起重机的特点。该结构要求起升机构采用行星圆 锥齿轮减速器，小车架不直接与车架相连接，以此来降低对小车架的刚度要求， 2 济南大学硕1 ：学位论文 曼i ii 曼曼鼍! ! 曼曼曼曼曼皇曼曼皇! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼鼍曼曼蔓曼岂曼! 曼曼皇曼鼍曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼皇 从而简化小车架结构，以减轻自重。 ( 2 ) 设备大型化 随着世界经济的发展，起重机械设备的体积和重量越来越趋于大型化，起 重量和吊运幅度也有所增大，为节省生产和使用费用，其服务场地和使用范围 也随之增大。 ( 3 ) 更新零部件，提高整机性能 法国p a t a i n 公司采用窄偏轨箱形梁作主梁，其高、宽比为4 3 5 左右，大 筋板间距为梁高的2 倍，不用小筋板，主梁与端梁的连接采用搭接的方式，使 垂直力直接作用于端梁的上盖板，以此降低端梁的高度，便于运输。变频调速 在国外起重机上己经开始应用，a b b 公司、日本富士等公司己经广泛采用1 2 1 。 该调速方案除具有高调速比，甚至可达到无级调速，还有节能降耗的优点。 ( 4 ) 机械化运输系统的组合应用 国外一些大厂为了提高生产率，降低生产成本，把起重运输机械有机的结 合在一起，构成先进的机械化运输系统。 1 1 3 起重机设计中存在的问题 长期以来起重机械的设计大多采用半理论、半经验的类比法、直觉法等传 统的设计方法进行手工计算、绘图，设计过程反复多，周期长，设计的精确度 差，而且不同设计人员设计出来的机构往往也有较大差异【13 1 。这种传统设计方法 的盲目性较大，如果进行精确的校核，则需要多次迭代，计算工作量大；而如 果不校核，则只好通过放大尺寸和截面的方法来满足产品可靠性的要求，造成 材料的浪费。同时，实际的工程设计中常常需要对同一类型但不同规格的产品 结构做大量的相似设计，即使是同一规格的起重机设计中也有大量的相似设计， 譬如桥式起重机大车运行和小车运行机构计算过程和方法基本相似，只是具体 参数值不同而已，这样工程技术人员不得不做枯燥乏味的重复劳动 1 4 , 1 5 j 。因此， 有必要构建一种针对起重机的快速设计系统，提高设计效率，缩短设计周期， 快速响应市场需求。 本文提出构建起重机快速设计系统，其核心内容是合理处理已有起重机设 计经验，在新设计中充分利用这些设计经验，如果新的设计方案是需通过变型 设计或重新设计来完成，则一并将其存储，完成设计经验的积累。这样，快速 设计系统既能完成对起重机设计经验的积累，又能应用这些经验快速高效满足 市场需求。 3 基于可零用信息资源的起看机快速设计系统建模 1 2 起重机快速设计关键技术 p a h l 和b e i t z 根据设计活动的特点将产品设计分为三种类型【1 6 】： 创新设计( c r e a t i v ed e s i g n ) 。针对新的需求，从已知的、经过实践检验是 可行的理论和技术出发，设计出过去不存在的新产品。 适应性设计( a d a p t i v ed e s i g n ) 。在保持产品原理、方案基本不变的前提下， 在原有产品的基础上，对产品的某些局部功能和结构作出变更，以适应某种要 求。 变型设计( v a r i a n td e s i g n ) 。在产品工作原理、基本结构不变的情况下， 通过对现有产品局部结构型式和尺寸的变异来满足不同工作性能的需求。 据统计，新产品开发中完全重用的零部件达到4 0 ；变型后重用的零部件达 到4 0 ：完全创新的零部件只有2 0 左右。快速设计与p a h l 和b e i t z 提出的三种 设计类型中的变型设计相关性最强。产品平台是派生系列变型产品的一组通用 结构1 7 1 ，在平台的基础上通过配置、变型、优化得到问题的解( 符合客户需求的 产品) ，从而达到快速响应市场的目的。基于产品平台的快速设计体现了企业对 客户、技术、产品结构、产品发展趋势的深刻把握，是企业的主动快速响应设 计1 1 8 , 1 9 1 。 在起重机械设计领域，最初，起重机械的设计方法多采用以古典力学和数 学为基础的半理论、半经验设计方法，设计过程反复多，周期长，设计的精度 差。计算机技术的广泛应用和各种现代设计理论，如系统工程、优化工程、价 值工程、可靠性工程、创造工程、人机工程等的不断发展，促进许多跨学科的 现代设计方法出现。这些新方法与起重机的结合，使起重机的设计进入崭新的 高质量、高效率的新阶段。 结合计算机技术与现代设计方法的研究现状，支持快速设计系统的关键技 术主要有： 1 2 1 计算机辅助设计( c a d ) 随着市场竞争的加剧，不仅要求缩短产品更新换代周期，而且还要求产品 由原来的单一、大批量生产模式，转向多品种、高质量、小批量生产模式。传 统的人工设计方式已经不能适应这种变化的要求。随着科技的迅速发展，己有 各种性能良好的计算机硬件及外围设备陆续问世，计算机软件技术也有很大的 4 济南大学硕上学位论文 提高，发展了数据库技术，开发了大量的图形软件。这些都促进了c a d 技术的 发展和应用，也为起重机快速设计组建可重用信息数据库、完成快速优化设计 过程提供了技术支持【2 0 1 。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术发展可追溯到5 0 年代中期，c a d 技术真正在设计中得到应用是6 0 年代，在7 0 年代初c a d 技 术的应用有了较大突破【2 1 , 2 2 , 2 3 1 。 近年来，随着计算机技术的发展，c a d 技术的特点主要表现在以下几个方 面【2 4 2 5 】： ( 1 ) 采用面向对象的3 2 位c a d 软件技术，支持w n i d o w 9 5 9 8 n t 操作系 统，兼容i g e s ，s t e p 等数据交换标准，兼容v c 、v b 等语言二次开发接口。 ( 2 ) 用户通过参数设计可以在几何形体之间建立起一些复杂的约束关系， 通过约束驱动生成新的形体。 ( 3 ) 用特征来描述、构造产品的信息模型，这样的模型中包括产品的形体 信息、产品的功能特征、工艺特征和加工特征，对产品具有更全面的描述能力， 是实现c a d c a m 集成的重要技术方法。 ( 4 ) 对产品的描述采用单一的数据模型，所有数据都存入单一的数据库中。 这样对产品任何改动，都会自动改变与之相关的数据。 c a d 这一新兴技术能充分运用计算机高速运算和快速绘图的强大功能为 工程设计及产品设计服务，因而发展迅速，目前已获得广泛应用。 在国外，c a d 技术已经得到充分的发展和广泛的应用，并取得了良好的经 济效益。例如：美国波音公司的7 4 7 飞机采用了c a d 技术，实现了无图纸设计， 比英国的三叉戟飞机开工晚，却早一年完成；美国g m 公司汽车设计中应用c a d 技术，使新型汽车的设计周期由五年缩短为三年，新产品的可信度由2 0 提高 到6 0 ；法国一家飞机公司在设计中应用c a d 技术，在很短的时间内设计出 几十个方案，供用户进行选择，使新产品的性能提高了9 【2 6 1 。 进入9 0 年代后，随着计算机技术在我国的发展，许多高校和一些计算机软 件公司根据我国的国家标准进行二次开发合作研究，开发出了许多优秀并且适 于我国国情的c a d 软件。如北京宇思机电公司开发的工程化机械c a d 系统 y s m c a d 等，为我国c a d 技术的推广使用起到了很大的推动作用。 计算机辅助设计之于起重机快速设计系统，其作用在于：将以前需要通过 5 基于可蕈用信息资源的起荤机快速设计系统建模 人工进行的计算、验算通过编程手段，让计算机来完成；使快速设计系统具有 一定得智能，来辅助设计人员对设计方案的优劣做出判断等。即依据计算机辅 助设计技术通过建立一系列的系统工具实现系统功能。 1 2 2 模块化设计 模块化设计的设计理念是在生产部门希望快速响应市场，同时降低产品开 发成本，缩短设计周期的要求下提出的。其基本内涵是以有限的模块组成多样 的产品，达到既要满足用户对产品的个性需求，又保证批量生产从而降低成本 的目的。因而，模块化设计技术是构建基于可重用信息起重机快速设计系统的 重要支撑技术。 产品模块化设计开始于本世纪初，1 9 0 0 年德国一家家具公司运用模块化原 理设计书架获得了成功。1 9 2 0 年模块化设计原理开始用于机床设计中。到本世 纪5 0 年代，欧美一些国家提出了“模块化设计”的概念，才真正把模块化设计 理论化。7 0 年代末，模块化设计开始受到国内许多高校和研究单位重视，并对 模块设计理论进行了许多有益的研究和探索。模块化设计技术的研究主要集中 于模块划分方法的研究，模块接口的研究以及模块化设计的应用研究等。 美国r o l l a 大学的r o b e r tb s t o n e 博士和t e x a s 大学的k r i s t i nl w o o d 博士 采用启发式方法进行模块化总体设计方法，成功的研制出7 0 多个家电产品的模 块库【2 7 1 。 l e em b 认为要保证产品族中模块划分方法，必须为模块划分设计一个决 策支持算法，利用层次分析法，将复杂设计问题分解为几个简单的问题，结合 模糊逻辑确定各影响因素的响度重要程度，从而构造一个模块判断矩阵，为产 品的模块选择提供决策信息支持口9 1 。 美国的i o w a 大学的p e t e rg r a d y 和w e n y a nl i a n g 博士采用面向对象的模块 化设计方法应用于计算机配置行业，并取得了显著的效益f 2 8 1 。 y o u t e m 等提出了基于并行工程的产品概念设计阶段的模块化设计方法， 首先采用模糊聚类的方法将具有不同信息相关度的功能进行分类，然后综合考 虑制造和装配的复杂性优化选择模块，最后利用功能规划来决策模块中的功能 序列【3 0 1 。 模块化设计是起重机设计发展的方向之一。它根据模块化原则，设计一些 6 济南大学硕+ j 学位论文 曼曼曼苎! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼皇! 曼曼鼍曼孽i；1 ；i 皇曼曼曼曼曼量鼍曼曼皇皇曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼 基本模块单元，通过不同的组合形成不同的产品，以满足用户的多种需求。起 重机模块化设计以功能分析为基础，将起重机上同一功能的基本部件、元件、 零件设计成具有不同用途、不同性能的模块，这些模块具有相同的连接要素， 可以互换【3 l 】。选用不同模块进行组合可形成各种不同类型和规格的通用或专用 起重机。起重机采用模块化设计，不仅是一种设计方法的改革，同时会影响到 整个起重机行业的技术、生产和管理【3 2 3 3 1 。应用于快速设计系统的模块化设计 的优劣将直接关系到整个快速设计系统的生命力和寿命。因而科学的构建基于 模块化技术的起重机产品数据库是起重机快速设计系统的核心内容 3 4 】。 1 2 3 可重用设计技术 可重用技术在软件领域的研究已有较长的历史，而在工程领域则刚刚开始 研究。重用是一个十分复杂的过程，零件分类系统的建立能使设计人员更多的 重用已有产品的设计信息【3 引。2 0 世纪末，产品设计重用的研究达到了高潮。目 前在工程领域还没有一个完整而权威的定义，即使在研究历史较长的软件设计 领域也是存在分歧的【3 6 3 7 1 。 现阶段，重庆大学的张建勋、何玉林等研究了可重用集成设计单元和设计 重用的理论体系，提出了设计重用技术，从系统和集成的角度对设计重用技术 的系统框架及其关键技术进行了研究，并讨论了设计重用系统的组成及其实现 方法、策略。着重解决设计重用技术的核心可重用集成设计单元的建模问 题，首先建立它的信息模型，然后阐述了具体的建模方法，最后，论述了从已 有设计资料中挖掘、整理可重用集成设计单元的c a d 子模型的方法一二维 零件图的智能特征识别。 清华大学c i m s 工程技术研究中心王昕、苏刨花、熊光楞等就产品的设计 历史建模进行了研究，通过于产品数据管理系统的集成，有效弥补了现有产品 数据管理系统功能的不足，并为设计历史建模以及利用设计历史支持设计回溯 和设计重用提供了良好的基础和环境。王克明和熊光楞等分析了协同设计中产 品模型信息传递技术存在的问题，提出了基于产品特征信息重用的设计仿真协 同技术【3 8 】。 而浙江大学机械系工程及计算机图形学研究所的张树有、谭建荣、陆国栋 和齐峰等则对可重用设计的产品设计和进化进行了研究，提出了基于多角度的 7 幕于可节用信息资源的起霞机快速设计系统建模 已有产品设计信息的协同理解，基于进化的产品设计信息的异构映射、基于网 络的产品设计信息共享等方法，较好的满足了快速重用已有产品设计信息的设 计要求【3 9 1 。 1 3 课题的提出及其意义 1 3 1 课题的提出 为改变起重机设计现状，本课题提出了起重机优化建模与快速设计系统的 构建，将计算机技术、模块化设计、变型设计技术等现代设计方法引入到起重 机械的设计过程中，通过对起重机模块及常用零部件的使用选择，实现起重机 的快速设计。快速设计系统为工程设计人员提供新的设计环境，提高工作效率， 缩短设计周期，有效地改善设计质量。 1 3 2 课题研究的意义 平台建模作为构建起重机快速设计系统的基础，它的研究保证了产品变型 设计系统的实现。起重机快速设计系统的研究和开发的意义如下： 1 ) 起重机快速设计系统通过建立产品的基型，以及提供产品零部件实例管 理工具，并通过与产品数据管理系统的集成，加强了对企业设计资源的管理； 2 ) 起重机快速设计系统能使设计人员重复利用起重机产品已有的设计资 源，提高设计的速度和质量，使企业在日益激烈的市场竞争中高效率、高质量、 低成本的设计生产新产品，满足用户不断变化的要求； 3 ) 起重机快速设计系统集成了模块及零部件建模、变型设计、数据库管理 等工具，给设计人员提供了一个高效、实用、便利的设计环境； 4 ) 起重机快速设计系统提供了与产品数据管理系统之间集成的接口，使设 计信息能够为产品数据管理系统利用，实现了设计信息的高效流通。 总之，起重机快速设计系统能够使设计者快速响应客户需求，提高了工作 效率，缩短设计周期，有效地改善设计质量。 1 4 论文的研究内容与内容安排 1 4 1 论文主要研究内容 论文主要研究内容有： ( 1 ) 依据起重机典型结构，以桥式起重机为例，对其设计特点、结构构成、 8 济南大学硕l 学位论文 性能参数进行分析，建立起重机可重用信息模型，在此基础上建立起重机快速 设计系统构架。 ( 2 ) 通过对起重机进行功能分析，以基于接口关系的模块划分方法，制定 起重机模块划分策略。 ( 3 ) 依据可重用信息模型，建立起重机数据管理模型以及相关的模块编码 体系。 ( 4 ) 以桥式起重机设计计算过程分析为基础，制定快速设计系统检索策略。 ( 5 ) 综合研究结果，通过实例验证起重机快速设计系统建模的可行性，为 起重机快速设计系统开发打下理论基础。 1 4 2 各章内容安排 依据本文的研究内容，其各章内容安排如图1 2 所示。 图1 2 本文章节内容安排 9 济南人学硕 j 学位论文 2 1 引言 第二章起重机设计快速设计系统总体方案 目前，国内起重机的设计主要依据诸如起重机设计手册等文献或起重 机设计标准来完成对起重机的设计，在起重机的结构优化环节上也开始应用诸 如：a d m a s 、a n s y s 等先进的分析软件。然而其设计仍然是传统意义上的起 重机设计，但这并不能排除国内以往的起重机产品中存在着大量的优秀的起重 机设计方案，故而本章将从传统起重机的设计流程入手，分析起重机设计参数 在起重机设计过程中的信息转化过程。对优秀的起重机设计方案进行信息梳理， 建立可重用信息数据库，这样快速设计系统就能准确的检索可重用信息，充分 利用已有的设计经验完成起重机设计。 在分析传统设计过程的基础上，找出传统设计的缺点和弊端，从而归纳出 快速设计系统的功能需求，提出相应支撑策略，建立快速设计系统功能单元和 总体构架，并制定了基于起重机快速设计系统的产品设计流程。 2 2 桥式起重机的设计特点 2 2 1 桥式起重机结构构成 普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起 重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成m 4 1 ，4 2 1 。如图2 1 所 示， 起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速 器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是 支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。桥架的 金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由 单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。主梁 与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊 有轨道，供起重小车运行。桥架主梁的结构类型较多，比较典型的有箱形结构、 基于可苹用信息资源的起苇机快速设计系统建模 四桁架结构和空腹桁架结构。 电气li小车li 大车ll 桥架 起升机构il 运行机构ij 小车架ii 电动机 电动机 减速器 制动器 车轮组 缓冲器 减速器 制动器 车轮组 缓冲器 主梁 端粱 平台 导电架 图2 1 桥式起重机机构组成 桥式起重机的传统设计是根据桥式起重机的主要参数，凭借设计人员的工 程经验，来完成桥式起重机总体布局、主梁、端梁选型计算、截面优化设计计 算、载荷校核、起重机性能分析、小车的整体设计、小车的运行机构设计、大 车运行机构设计及整车控制部分的设计等等工作。 2 2 2 桥式起重机性能参数 起重机的技术参数表征起重机的作业能力，是设计起重机的基本依据。起 重机的主要性能参数有：起重量q ( r ) ，起升高度h ( 历) ，跨度l ( 朋) ，机构 的工作速度v ( m m i n ) ，工作级别等【1 4 15 1 。 1 ) 起升重量 起重机正常工作时允许一次起升的最大质量称为额定起重量。国标规定了 桥式起重机的额定起重量，如表2 1 所示。 表2 1 最大起重量系列( i s o2 3 7 4 ：1 9 8 3 ) ( f ) o 10 1 2 5o 1 60 20 2 50 3 20 40 50 6 3 o 8l1 2 51 622 53 245 6 381 0 ( 1 1 2 ) 1 2 5 ( 1 4 ) 1 6 ( 1 8 ) 2 0 ( 2 2 5 1 2 5 ( 2 8 ) 3 2 ( 3 6 )( 4 0 )( 4 5 ) 5 0 ( 5 6 ) 6 3 ( 7 1 ) 8 0 ( 9 0 ) 1 0 0 ( 1 1 2 ) 1 2 5 ( 1 4 0 ) 1 6 0 ( 1 8 0 ) 2 0 0 ( 2 2 5 ) 2 5 0 ( 2 8 0 ) 3 2 0 ( 3 6 0 ) 4 0 0 ( 4 5 0 ) 5 0 0 ( 5 6 0 ) 6 3 0 ( 7 1 0 ) 8 0 0 ( 9 0 0 ) 1 0 0 0 1 2 蝴二一二一二一二一一一 2 ) 起升高度 起升高度是指从地面或轨道项面至取物装置最高起升位置的铅垂距离( 吊 钩取钩环中心) 。起升高度的选择按照作业要求而定，本系统设计的桥式起重机 的起升高度参照表2 2 。 表2 2 桥式起重机起升高度( m ) 起重机 吊钩 一般加大 ( t ) 主钩副钩 主钩 副钩 5 01 2 1 61 4 - - - - 1 82 42 6 6 3 1 2 52 0 2 23 0 3 2 1 2 5 2 5 02 22 43 03 2 3 ) 跨度、轨距 大车运行轨道中心线之间的水平距离称为跨度( 三) ，小车运行轨道中心线 之间的水平距离称为轨距( z ) 。桥式起重机的跨度应小于厂房跨度，其跨度系 列如表2 3 所示。 表2 3 桥式起重机跨度系列( g b7 9 0 - 6 5 ) ( m ) 厂房跨度 91 21 51 82 l2 42 73 03 3 3 6 起 走己重量 7 51 0 51 3 51 6 51 9 52 2 52 5 52 8 53 1 5 重 q = 3 5 0 t 71 01 31 61 92 22 52 83 1 机 跨 起重量 1 61 92 22 52 83 13 4 度 q = s o - - - 2 5 0 t l 4 ) 机构工作速度 表2 4 桥式起重机工作机构速度范围( m s ) 起升速度( m s )运行速度( m s ) 起重机类型 主起升副起升小车起重机 a l 、a 2o ol6 - 0 0 5o 1 3 3 o 1 6 60 o16 0 3 3 20 5 o 6 6 7 桥式起重机 a 3 、a 4o 0 3 3 0 2 0 1 3 3 o 3 3 2 o 3 3 2 0 6 6 7o 6 6 7 1 5 a 5 、a 60 13 3 o 3 3 2o 3 0 3 3 20 6 6 7 - - - 0 8 3 31 6 6 7 2 起重机的工作速度根据作业要求而定。额定起升速度是起升机构电动机在 额定转速或油泵输出额定流量时，取物装置满载起升的速度。起升速度和起重 机的用途、起重量大小和起升高度有关，其额定工作速度参考值见表2 4 。 5 ) 工作级别 划分起重机的工作级别是为了对起重机金属结构和机构设计提供合理的基 基于可晕用信息资源的起覃机快速设计系统建模 础，也为用户和制造厂家进行协调提供一个参数范围，它使起重机胜任它需要 完成的工作任务。桥式起重机工作级别举例见表2 5 。 工作制度与工作级别的关系：轻级：a 3 、a 4 ；中级：a 5 、a 6 ；重级：a 6 、 a 7 ；特重级：a 8 。 表2 5 桥式起重机工作级别( g b3 8 11 8 3 ) 吊 应用场合工作级别 钩 电站安装及维修爿l 卅3 车间及仓库用彳3 彳5 式 繁重工作车间及仓库用 a 6 - - a 7 2 2 3 桥式起重机的设计计算流程 参照起重机设计手册，典型桥式起重机设计计算可分为两大部分：起重 小车的设计计算和桥架的设计计算。 1 ) 起重小车的设计计算 起重机起重小车的设计计算包括t 主起升机构设计计算、副起升机构设计 计算、小车运行机构设计计算和小车架的设计计算。其计算流程如图2 2 、2 3 、 2 5 所示。 进行起重机起升机构设计计算的主要参数有：起升起重量、工作类型、起 升高度以及起升速度，其设计流程为：通过起升起重量，确定吊钩的重量，并 依据起重量和吊钩重量进行钢丝绳的选型，确定了钢丝绳的型号后，可依据经 验公式，确定卷筒的厚度和直径，以及滑轮的直径；然后起重量和起升速度， 并查询相关参数( 电机静功率系数) ，对电动机进行选型；确定型号后计算减速 比，并依据电机功率对减速器进行选型；然后通过计算总制动力矩，对制动器 进行选型，并验算制动时间；然后根据电动机等效到连轴器的计算力矩对联轴 器进行选型；最后进行启动时间与平均加速度的验算以及电机发热验算，若验 算结果不合格，则重复以上过程，对电动机、减速器及联轴器等典型零件进行 重新选型。 小车运行机构的设计流程与起升机构的设计流程基本类似，在此不再赘述。 其主要参数是：主、副起重量、工作制度、小车运行速度以及车轮的车轮数。 相比之下小车架的计算就要复杂的多，需要进行大量的计算和反复的验算， 这是因为小车架在工作时不仅承受弯曲，亦承受扭转，因此需要大量的计算和 1 4 济南大学硕l 学付论文 验算以保证梁的刚度，提高起重机的安全性。其主要参数是：起重量( 主、副 起重量) 及小车自身的结构尺寸。典型小车架的结构是由7 根支撑梁组成的， 其结构简图如图2 4 所示，按照主起升重量来计算梁i 、i i 、v ，按 副起升重量来计算梁、，两者流程基本相同。梁i 、i i 、i 、v 5 根 梁的计算过程基本相似，以梁i 为例：通过主固定滑轮重量、动载系数以及主 卷扬钢丝绳最大拉力计算梁所受的集中力；然后依据集中力计算支承反力和最 大弯矩；再对梁i 的断面特性进行研究，计算其最大应力完成梁i 相应结构尺 寸计算；依据焊接类型最后计算梁i 与梁i i 、i i i 之间的焊缝长度。 最大静拉力 最小直径 岳= 曲起升机构静功率 传动比 扭矩、径向力验算 满载制动静力矩 制动时间验算 计算力矩 图2 2 起升机构设计流程图图2 3 小车运行机构流程图 图2 4 小车架简化图 碰 施蝉算 句 毛 。 锄 拂雠蓦堇 俐 魄 一一一 萋 基于可重用信息资源的起霞机快速设计系统建模 圈 确定机构简图及参数 集中力 支承反力和弯矩 断面特性 与u 、的焊缝计算 支承反力和弯矩 断面特性 与、m 的焊缝计算 支承反力和弯矩 断r 面特性 与i i 、m 的焊缝计算 支承反力和弯矩 断面特性 与l i 、的焊缝计算 支承反力和弯矩 断面特性 与u 、的焊缝计算 图2 5 小车架设计计算流程 2 ) 双梁桥架的计算流程 起重机双梁桥架的设计计算流程主要则分为：主梁的设计计算、端梁设计 计算以及大车运行机构的设计计算。其中大车运行机构的设计计算过程与小车 运行机构的计算过程是完全一样的。桥架设计的主要参数有：主起升起重量、 跨度、小车轨距和轮距、小车轮压。桥架的主梁和端梁的设计主要是载荷、刚 度、应力的计算，其过程如图2 6 、2 7 所示。主梁和端梁的设计流程基本相似， 以主梁为例：首先分析主梁断面几何特性( 包括惯性矩、断面模数) ，为接下来 的计算作准备；然后进行主梁载荷的计算，主要包括固定、活动、水平惯性载 荷及其弯矩的计算；再对以上载荷进行组合，进行载荷组合及主梁应力的计算； 然后验证主梁的动静刚度；然后对小车钢轨进行应力计算；最后计算主梁各焊 接板及焊缝的应力，确定其尺寸。相比于小车架，桥架的设计计算显得更为复 杂，这是因为桥架直接决定了起重机的使用寿命，需要更为精确的设计计算来 保证起重机工作的安全性。 1 6 济南大学硕卜学位论文 鼍! 量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼吕曼曼曼曼曼量曼曼! 曼曼! 曼皇! 曼曼o i i i 一i l 曼曼曼曼鼍曼皇蔓曼曼曼寡曼曼曼曼 主集断面几何特性 1 r 一向定氧葡及量大弯矩 l 主集蓑荷的计算 l 卜一活动羹荷及量大弯矩 ll ll 承平惯性辅丁小车锄啪水平讹辅 il 桥桨制动时的水平惯性载葡 l j 广跨中主集法向应力1 一第一类戴荷组合 t 葡组台及主鬃应力计算l卜第二类载荷组合 il l 第三类载荷组合 il 跨墙腹板剪切应力 j 广静刚度 主鬃雕度 il 一动剐度 r 纵加筋板 稳定性验算_ l 横加筋板 小车钢轨应力计算一弯曲应力 主集盖板与腹扳焊缝计算剪切应力 广加筋板端部衰面挤压应力 垂直加紧板验算 l 一小加筋板弯曲应力和力矩 图2 6 主梁设计计算流程图2 7 端梁设计计算流程 从起重机各个部件的设计流程可以看出：( 1 ) 起重机设计过程中有很多的 重复计算过程，例如，起重机主、副起升机构以及大、小车运行机构其计算过 程完全一样，只是设计参数有所变化而已。( 2 ) 起重机的支撑类构件，如桥架 机构、小车架的设计过程非常复杂，需