（机械制造及其自动化专业论文）基于现代设计方法的门式起重机起升机构的优化设计.pdf

基于现代设计方法的门式起重机起升机构的优化设计 专业机械制造及其自动化 研究生唐军指导教师胡晓兵 摘要： 随着科学技术和计算机技术的进一步发展，现代工程技术正向着实用、可 靠、安全、经济以及规范的方向发展。在这样的发展背景下，对门式起重机起 升机构的设计也提出了新的要求。实现门式起重机起升机构在安全可靠的基础 上的经济性受到了人们越来越多的重视同时，在门式起重机起升机构的传统 设计过程中，设计人员更多的依靠经验、试凑、静态定性分析和手工劳动，导 致了设计产品的设计周期长，设计质量差，设计费用高，产品缺乏竞争力。因 此，研究门式起重机起升机构的优化设计方法，对于提高门式起重机起升机构 设计的效率和质量具有重要的作用。 本论文分折了门式起重机在工程实际中的应用情况、主要形式及其作用， 提出了对门式起重机，特别是对门式起重机的咽喉设备一起升机构进行研究， 使其使用更加方便，成本更加低廉，具有重要现实意义的思想。本论文在理论 和实践中的主要成果与特色如下： ( 1 ) 应用设计方法学对门式起重机起升机构的总体方案迸行了优化决策， 采用基于数学规划的优化设计方法对门式起重机起升机构的减速器进行了参数 优化设计，提出使用基于有限元法的优化设计方法对起升卷简进行目标优化设 计。 ( 2 ) 论述了设计方法学，包括功能分析法和层次分析法的基本原理和设计 思想。其中，运用功能分析法对门式起重机起升机构总体方案进行定性的分析， 而运用层次分析法对门式起重机起升机构总体方案进行定性和定量相结合的分 l 四川大学硕士学位论文 析，并通过实例验证了设计方法学的应用效果，提出了门式起重机起升机构优 化设计的总体方案。 ( 3 ) 介绍了基于数学规划的参数优化设计方法的基本思想，以减速器中心 距最小和整个传动系统转动惯量最小这两个目标分别建立了两个起升机构减速 器单目标优化数学模型，然后在此基础上以它们为分目标建立了起升机构减速 器多目标优化数学模型，并采用混合离散变量复合形法求解所建立的减速器优 化数学模型。 ( 4 ) 引入了基于有限元法的优化设计方法，分析了起升卷筒的结构、失效 形式和原因以及它的内部应力，建立了卷筒的力学模型，并应用基于有限元法 的优化设计方法对所建立的卷简有限元模型进行了分析和求解 基于以上理论的基础，论文以1 5 0 吨门式起重机起升机构的优化设计为实 例，验证了本文提出的理论和方法的正确性和适用性。 关键词：门式起重机起升机构现代设计方法优化设计有限元 n 竺型 o p t i m u md e s i g no f t h eh o i s t i n gm e c h a n i s mo fg a n t r yc r a n e b a s e do nt h em o d e r nd e s i g nm e t h o d o l o g y m a j o r m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t et a n gj u ns u p e r v i s o r h ux i a o b i n g a b s t r a c t ： w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o d o me n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y i st e n dt od e v e l o p i n go i lc r e d i b l e ，p r a c t i c a ls a f e , e c o n o m i ca n dc a n o n i c a l u n d e rt h i sd e v e l o p i n g b a c k g r o u n d , i tp u t sf o r w a r dn e wr e q u i r e m e n t so nd e s i g no ft h eh o i s t i n gm e c h a n i s mo fg a n t r y c 咖e p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h ee c o n o m i cd e s i g no f t h eh o i s t i n gm e c h a n i s m o f g a n t r yc “i mb a s e d o nt h es a f es i d e a tt h es a m et i m e ，t h ec o m p o s e r sd e p e n do i lo x p o r i e n c e ，t e s t , k a t i gs t a t eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dh a n d w o r ki n o r e ，w h i c hl e a dl o n gd e s i g nc y c l e ，b a dd e s i g n q u a l i t y , h i g hd e s i g ne x p e n s e a n de 啪f e e b l ep r o d u c t s t h e r e f o r e , i tm a k e sm o r es e n s e so nt h e e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h eh o i s t i n gm e c h a n i s mo fg a n t r yc r a n ed e s i g nb yr e s e a r c h i n go i lt h e m e t h o d so f i t so p t i m u md e s i g n t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o n , m a i nf o r ma n df u n c t i o no ft h eg a n t r yc r a l i oi nt h e c i l g ：l e e r i n ga n dw o r k e do u ta l li d e at h a tr e s e a r c h i n go nt h eh o i s t i n gm e c h a n i s mw h i c hi st h e m o s ti m p o r t a n tp a r to ft h eg a n t r yo r a n oa n dm a k i n gi tm o r ec o n v e n i e n c ea n de c o n o m i ci sv e r y n e c e s s a r y t h em a i na c h i e v e m e n t sa n dc r e a t i v ei d e a so ft h i sp a p e r a r ep r e s e n t e db yf o l l o w i n g p o i n t s ： ( 1 ) u s e sd e s i g nm e t h o d o l o g yt or e s e a r c ho nt h eo p t i m u md e s 咖o f t h eo v e r a l ls c h e m e sa n d a d o p t so p t i m o md e s i g nb a s e d0 1 1m a t h e m a t i c a ll m o g r a m m i n ga n do p 缸u r ad e s i g nb a s e d 0 1 1f m i t e e l e m e n tm e t h o dt ot h eo p t i m u md e s i g no f 血er e d u c e ra n db a r r e lo f l l 砖h o i s t i n gm e c h a n i s mo f g a n m c 1 0 1 1 0 0 ( 2 ) d i s s e r m m dt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n dd e s i g nt h e o r yo f d e s i g nm o t h o d o l o g yi n c l u d i n g m 四川大学硕士学位论文 f u n c t i o na n a l y s i s m e t h o da n da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s t h e na n a l y z e dt h eo v e r a l ls c h e m e so f t h eh o i s t i n gm e c h a n i s mo fg a n t r yc r a n eq u a l i t a t i v e l yb yf u n c t i o na n a l y s i s - m e t h o da n d q u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yb ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s v a l i d a t e dt h ee f f e c to ft h ed e s i 目a m e t h o d o l o g yb yae x a m p l ea n dp u tf o r w a r dao v e r a l ls c h e m e so ft h eh o i s t i n gm e c h a n i s mo f g a n t r yc r a n e ( 3 ) i n u o d u c e dt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e o ft h ep a r a m e t e ro p t i m u md e s i g nb a s e do n m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g , e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c sm o d e lo ft h er e d u c e rb ys i n g l e - t a r g e ta n d m u l t i - t a r g e to p t i m i z i n gb a s e do nm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n ga n da d o p t e dt h ec o m p o s i t es h a p e a r i t h m e t i cw i t hm i x “ d i s c r e t ev a r i a b l e st os o l v et h em a t h e m a t i c sm o d e lo f r e d u c e r o ) b r o u g h ti nt h eo p t i m u md e s i g nm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d d i s c u s s e dt h e s t r u c t u r ea n dt h ei n v a l i d a t i o nf o r m so ft h eb a r r e la n di t sr e a s o n , a n a l y z e dt h ei n t e r n a ls t r e s sa n d e s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c sm o d e lo ft h eb a r r e la n ds o l v e dt h ef m i t ee l e m e n tm o d e lb yt h e o p t i m u md e s i g nm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d b a s e d0 1 1t h es t u d yo f t h e o r ym e n t i o n e da b o v e , v a l i d a t e dt h ee o r l t n e s sa n da p p l i c a b i l i t yo f t h et h e o r i e sa n dm e t h o d st h a tw e u s e di nt h i sp a p e rb yt h ee x a m p l et h a ti st h eo p t i m u md e s i g n o f t h eh o i s t i n gm e c h a n i s mo f1 5 0t o ng a n t 珂c r a n e k e y w o r d s ：g a n t r yc r d l l e ，h o i s t i n gm e c h a n i s m , m o d e md e s i g nm e t h o d o l o g y , o p t i m u md e s i g n , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i v 1 绪论 1 1 门式起重机应用现状 1 1 1 f 式起重机的应用及主要形式 ( 1 ) 门式起重机的应用 门式起重机又称龙门起重机，是露天物料搬运广泛采用的大型装卸机械， 它与其它类型的起重机相比，具有起重量大，作业空间大，货场面积利用率高， 装卸效率高，基建投资少，运行成本低等优点。因此，它广泛用于工矿、交通 运输和工程建设等部门，尤其能在铁路货场的装卸作业中发挥重要的作用。就 目前国内铁路装卸而言，门机在货场内的装卸作业量占总作业量的4 0 左右， 占机械作业量的6 0 左右，已成为完成装卸任务的主要机型【l 】。同时，门机也 是与连续输送机械组成机械化装卸系统的理论机种，在国外工业先进国家，不 仅机械作业比重大，而且机械作业己实现体系化、专业化和自动化，所以门机 已被列为改扩建综合性货场、集装箱货场和散料货场的主要配套机种，应用前 景宽广 2 1 ( 2 ) 1 7 式起重机的主要形式 门式起重机由于用途不同，分为船坞用门式起重机，水电站用门式起重机， 集装箱门式起重机，装卸桥和通用门式起重机。在这里主要讨论的是通用门式 起重机。 通用门式起重机形式很多，按照主梁的结构，可分为单箱形主梁门式起重 机和双箱形主梁门式起重机和n 型框截面析架结构主梁门式起重机以及析架结 构主梁门式起重机。 门式起重机的起重小车若采用电葫芦，称为单梁电葫芦式门式起重机。货 运量较小的铁路货场可以采用单梁电葫芦门式起重机。它具有构造简单，上马 快等优点。它的缺点是速度低，起重量小( 一般在1 0 吨以下) 。单主梁门式起重 机若采用专制小车则称为单主梁小车门式起重机。由于其支腿的形式不同，可 分为单主梁l 形和单主梁c 形门式起重机。l 形单主梁门式起重机的起重小车 多采用垂直反滚轮式( 两支点) 小车；c 形单主梁门式起重机的起重小车多采用水 平反滚轮式( 三支点) 小车。垂直反滚轮小车构造简单，维修方便，但其声机构启 动和制动是垂直方向跳动比较大水平反滚轮小车工作过程中比较平稳，但维 四j i l 大学硕士学位论文 修不太方便。 双箱形主梁门式起重机按照支腿的形式又分为0 型、u 型、a 型和八字腿 带马鞍型等几种【3 1 。 1 1 2 门式起重机在物料搬运中的作用 门式起重机属于起重运输机械，它作为物料搬运工具，装备着国民经济的 各个部门，在现代化生产中占有重要地位 4 1 。起重运输机械，在完成一个工作 过程中，一般都包括“储、装、运、卸”作业，因而对于提高生产能力、保证 产品质量、减轻劳动强度、降低生产成本、提高运输效率、加快物资周转、流 通等方面均有着重要的影响，对安全生产、减少事故更有显著作用。现代的搬 运技术己超越了单纯地减轻体力劳动这一传统概念，必须根据系统的需要，及 时地、迅速地、有节奏地将必要的原材料或零部件，在规定的时间里，送到必 要的工艺位置上。否则，现代化的生产是不可能的。如果看看现代化大规模生 产的汽车工业、冶炼工业、电子工业以及先进高效的加工中心、数控机床、装 配自动线，就会深深感到我国的物料搬运机械与工业发达国家相比还很有差距。 现在常有种说法：物料搬运技术是现代工业中最薄弱、最迫切要解决的问题之 一。随着现代工业的迅速发展和生产规模的扩大，物料搬运费在生产成本中的 比例越来越高。从而可以看出，提高搬运技术将是降低产品成本最有潜力的一 个途径。 如在机械工业方面，所有制造工业的每道工序以及工序之间都需要装卸、 运输、堆垛等项作业的配合。搬运作业贯穿在生产的全过程中，物料搬运机械 把各道工序有机地连接起来，成为整个生产系统的一个组成部分。机械工厂的 物料搬运次数是很频繁的，每生产一吨产品，一般在机械加工方面约为五十吨 的装卸搬运量，在铸造方面约为八十吨搬运量。物料搬运费用在整个生产中几 探寻功能原理方案的主要方法，这种方法将机械 产品的总功能分解成若干简单的功能元，对功能元求解，然后进行组合，往往 可以得到设计方案的多种解；它以事物的多样性为客观基础，以工程和用户需 要为准则，以事实为依据，对产品及其构成要素的功能和实现功能的方法进行 具体分析、构造形态学矩阵，寻找系统总体解析的全部方案；根据任务、目标 和约束条件进行方案评价、决策，得出最佳方案；它简化了实现产品总功能的 功能原理方案的构思方法，同时可以使功能原理方案构思时的创造性思维大大 开阔，易于得到最优化的功能原理方案。采用功能分析法进行方案设计有利于 设计人员摆脱经验设计和类比设计的束缚嘲。 功能分析法的设计步骤及各阶段应用的主要方法如图1 1 所示。 图i - i 功能分析法的设计步骤 ( 1 ) 总功能分析 对总功能要进行准确、简洁、合理的描述，抓住本质，这样有利于使设计 目的明确，设计思路开阔。 分析系统的总功能常常采用“黑箱法”，把待设计的机械产品看作内容未 知的一个“黑箱”，通过分析、比较此系统的输入和输出的能量、物料和讯号， 四川大学硕七学位论文 由其具体差别和相互关系反映出此产品的总功能。 ( 2 ) 功能分解 将产品所需实现的功能进行分解，即将总功能分解为多个功能元( 也称子功 能) ，就是将功能实现过程分解为若干个执行动作。 ( 3 ) 功能元求解 功能元求解就是将所需执行动作，用合适的执行机构型式来实现。将机构 ； 按运动转换的种类和实现的功用进行分类，就是起到解法目录的作用。 ( 4 ) 功能原理方案的确定 4 由于每个功能元的解有多个，因此组成产品的功能原理方案可以有多个。 在组合过程中应考虑以下几点要求： 设计的附加要求； 设计的全局要求； 功能元解的相容性。 功能原理方案的组合可采用形态学矩阵进行综合，即将系统的功能元列为 纵坐标，各功能元的相应解法列为横坐标，构成形态学矩阵，如表1 1 所示。 可 功能元可能解 功汰 j = 1 j = 2j - 3 j = j j2 n f l ( i = 1 ) l 1 1 l 1 2l 1 3 l l j l 1 n f 2 ( i ：2 )l 2 ll 2 2l 2 3 l 2 j l 2 n f 3 ( i = 3 )l 3 1l 3 2l 3 3 l 3 j l 3 n f i ( i = i )l i ll i 2l i 3 l i j l i n f m ( i = )l m l l 2l m 3l m j l m n 表1 -形态学矩阵 表中f l ，f 2 ，f 3 ，f m 为功能元，l 1 1 ，l l 2 ，l l n 为第一功能元的 解，l m l ，l m 2 ，l m n 为第m 功能元的解。从每项功能元中取出一种解进行 4 绪论 合理组合，即可得到一种方案，最多可以组合出种方案： n = n i ，垃x 而删 其中，m 为功能元数，耐为第f 种功能元解的个数。 采用形态学矩阵综合法可以组合出许多方案。数目众多的方案可使设计人 员有广阔的选择范围，在一般情况下，可以先选取比较满意的几个方案，然后 对这几个方案进行评价选优，从中得到符合设计要求的最佳方案。 1 2 2 层次分析法原理及步骤 美国运筹学家t l s 锄谚教授提出的层次分析法是一种新的能用来处理复杂 的社会、政治、经济和技术等决策问题的决策方法，既实用、又简洁。 首先它把复杂的决策问题层次化。我们可根据问题的性质以及所要达到的 目标，把问题分解为不同的组成因素，并按各因素之间的隶属关系和相互关联 程度分组，形成一个不相交的层次。上一层次的元素对相邻的下一层次的全部 或部分元素起着支配作用，从而形成一个自上而下的逐层支配关系。具有这种 性质的结构称为递阶层次结构。具有递阶层次结构的决策问题，最后可归结为 最低层( 供选择的方案、措施等) 相对于最高层( 系统目标) 的相对重要性的权值或 相对优劣次序的总排序问题。 其次它将引导决策者通过系列成对比较的评判来得到各个方案或措施在 某一个准则之下的相对重要度的量度这种评判能转换成数字处理，构成一个 所谓的判断矩阵，然后使用单准则排序计算方法便可获得这些方案成措施在该 准则之下的优先度的排序。 在层次结构中，这些准则本身也可以对更高层次的各个元素的相对重要性 赋权通过层次的递阶关系可以继续这个过程，直到各个供决策的方案成措施 对最高目标的总排序计算出来为止。这样，决策者就可进行评价、选择和计划 等决策活动。 我们可以看到，层次分析法在本质上是一种决策思维方式，它具有人的思 维的分析、判断和综合的特征。作为一个决策工具，层次分析法具有简单、易 用、有效、适应性强、应用范围广等优点，因而受到人们广泛的重视1 7 j 。 层次分析法的分析步骤如下： ( 1 ) 定义问题，确定要完成的目标； 5 优化设计是在电子计算机广泛应用的基础上发展起来的一门先进技术；它 是2 0 世纪6 0 年代初发展起来的- l - j 新学科；它是根据最优化原理和方法，利 用电子计算机为计算工具，寻求最优设计参数的一种现代设计方法伊1 1 】。利用 这种新的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从 而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要 领域，它已广泛应用于各个工业部l , - j 1 2 】。 实践证明，优化设计是保证产品具有优良的性能、减轻重量或体积、降低 成本的一种有效设计方法。优化设计工作首先将工程实际问题转化为优化设计 的数学模型，然后根据数学模型的特性，选择适当的优化设计计算方法及其程 序，通过计算机求得最优解。 6 1 3 1 优化设计的发展状况 1 9 6 3 年5 月美国应用力学文摘发表了一篇关于优化设计过去和现状的 总结报道，并附1 9 6 3 年以前的2 3 4 篇文献目录，1 9 6 8 年1 0 月美国应用力学 文摘又发表了一篇关于优化设计的近期发展的报道，并列出了1 9 6 3 1 9 6 8 年 之间的1 4 6 篇文献目录。我国第一篇有关优化设计的文章为熊祝华发表在湖 南大学学报1 9 6 6 年第一期上的关于塑性结构的最轻设计问题大连工 学院学报1 9 1 3 年第3 期发表的结构力学最优化设计理论与方法的近代发展 对结构静力的优化设计做了全面的介绍，并附有7 9 篇文献目录。王光远、卢书 辉、沈乃杰在1 9 7 8 年发表的抗震结构最优设计的理论和方法则对结构动力 的优化设计做了全面的介绍，并附有8 5 篇文献目录。1 9 7 8 年中国基本建设优化 研究会成立，推动了优化设计理论的研究和应用。1 9 8 1 年在哈尔滨召开的结 构优化学术会议则是我国从事优化设计理论研究工作的专家、学者的第一次 聚会，参加会议近百人，交流论文四十余篇，并听了美籍华人郑毅教授的讲学。 1 9 8 6 年中国基本建设优化研究会成立的设计优化学术委员会，则汇集了全国各 地从事优化设计理论研究工作的教授、专家、学者，几年来发表论文几十篇， 大大推动了优化设计理论的发展【1 3 1 。 目前，优化设计的应用领域已从航空航天扩展到船舶、桥梁、汽车、机械、 水利、建筑等更广泛的工程领域，解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力 水平、改进结构性能和提高安全寿命等更多方面。例如，陈汝训等用数值解法 求得了火箭发动机壳体封头的形状优化解【1 4 1 。顾元宪等用微机辅助结构优化设 计系统( m c a d s ) 进行了平面膜板的开孔形状优化、管道连接和变形补偿的波纹管 即膨胀节的形状优化、火车车轮断面和航空发动机涡轮盘形状优化【1 5 1 g a t e s 等 对航天器中的丁字形托架和内有肋板、外有撑架的柱形三维壳体结构进行了形 状优化【l 倪。k o e t s uy a m a z a k i 等用边界元法优化了三维连杆的开孔和边界形状1 1 7 1 。 罗志军等用遗传算法对雷达天线罩进行结构壁各层厚度的优化【”】。薛玺成等探 讨了地下洞室断面形状的优化计算方法【1 9 1 张文元等用遗传算法对空间2 5 杆桁 架的杆截面进行了尺寸优化 2 0 1 宋天霞等对水轮机顶盖的板壳结构进行了选型 优化设计【2 n 朱伯芳、张海等先后对双曲拱坝进行了形状优化t 2 2 1 t 2 3 1 7 的前景。 ( 4 ) 关于全域最优化的方法：目前，多数算法不能期望得到非凸问题的全域 最优解，对于高维问题，甚至遇到它时，也难以识别。d j w i l d e 教授指出，近 年来不断发展的、解析的、非迭代的全域最优化方法有望解决这一问题1 2 6 1 。 此外，加强对通用和专用优化软件的性能比较和数据库的研究也是十分迫 切的课题。总之，尽管在优化理论的研究中尚需付出很大的代价和努力，然而， 8 优化设计的前景仍是非常光明的，总是逐步向更新的领域开拓和发展。 1 4 有限元基本理论及其在工程中的应用 1 4 2 有限元基本思想 有限元法基本思想的提出是在1 9 4 3 年c o u r a n t 尝试应用定义在三角形区域 上的分片连续函数和最小势能原理相结合，来求解s t v e n a n t 扭转问题。但是 真正应用于工程中则是随电子计算机的广泛应用和发展。有限元法是随着电子 计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是2 0 世纪5 0 年代首先 在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分 析方法，随后很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问 题。1 9 6 0 年，美国的克拉夫( c l o u g h r 聊，在一篇题为“平面应力分析的有 限元法”的论文中第一次提出“有限元法”这一名称1 2 7 1 。 有限元法从选择基本未知量的角度来看，可分为3 类：位移法、力法和混 合法。以节点位移为基本未知量的求解方法称为位移法；以节点力为基本未知 量的求解方法称为力法；一部分以节点位移，另一部分以节点力作为基本未知 量的求解方法称为混合法。由于位移法通用性较强，计算机程序处理简单、方 便，得到广泛的应用，因此主要讨论有限元位移法。 有限元位移法的基本思想，首先是对求锈的弹性区域进行离散化即把具 有无限多个自由度的连续体，化为有限多个自由度的结构物。其次是选择一个 表示单元内任意点的位移随位置变化的函数式，并按照插值理论，将单元内任 一点的位移通过一定的函数关系用节点位移来表示这种假设的试函数称为位 移函数，在一般情况下，它应满足单元向位移的连续性。随后则从分析单个的 单元入手，用变分原理来建立单元方程接着再把所有单元集成起来，并与节 点上的外载荷相联系，得到一组以节点位移为未知量的多元线性代数方程，引 入位移边乔条件以后即可进行求解。解出节点位移，再根据弹性力学几何方程 和物理方程算出各单元的应变和应力【强哪】 通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，化整为 零，集零为整，把复杂的结构看成由有限个单元组成的整体 9 四川大学硕士学位论文 1 4 3 有限元法在工程中的应用 在有限元法诞生后的4 0 多年来，有限元法的应用己由弹性力学平面问题 扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和 波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等， 从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。有限元法的工程应用如 表l - 2 所示1 3 0 】。 研究领域 平衡问题 特征值问题 动态问题 结构工程 应力波的传播；结构对 粱、板、壳结构的分析； 结构的稳定性；结 于非周期载荷的动态响 学，结构力 复杂或混杂结构的分析；二构的固有频率和振 学和宇航应：耦合热弹性力学与热 维与三维应力分析型；线性粘弹性阻尼 工程学 粘弹性力学 二维与三维应力分析；填土壤与岩石中的非定 土力学。基筑和开控问题；边坡稳定性常渗流；在可变形多i l 介 础工程学 问题；土壤与结构的相互作 土壤与结构组合物的质中的流动、固结；应力 和岩石力用；坝、隧洞、钻孔、涵洞、固有频率和振型波在土壤和岩石中的传 学 船闸等的分析；流体在土壤 播；土壤与结构的动态相 和岩石中的稳态渗流 互作用 固体和流体中的稳态温固体和流体中的瞬态热 热传导学 度分布 流 流体动力流体的势流；流体的粘性湖泊和港湾的波动河口的盐度和污染研 学，水利工流动：蓄水层和多孔介质中( 固有频率和振型) ；究( 扩展问题) ；多孔介 程学和水 的定常渗流：水工结构和大 刚性或柔性容器中流质和蓄水层中非定态渗 源学坝的分析体的晃动流 反应堆安全壳结构的动 核子工程 反应堆安全壳结构的分态分析；反应堆结构的热 析；反应堆和反应堆安全壳 粘弹性分析；反应堆和反 学 结构的稳态温度分布应堆安全壳结构中的非 稳态温度分布 二维和三维静态电磁场二维和三维时变、高频 电磁学 分析 电磁场分析 表1 - 2 有限元法的工程应用 1 5 课题研究意义与主要研究内容 1 5 1 课题研究意义 8 0 年代以后，航运业持续发展，到9 0 年代初，世界海运量己达4 0 多亿吨。 我国航运业的发展从7 0 年代后期开始至今已取得了很大成果，特别是近年来， 发展更加迅猛。全国港口年吞吐量达1 0 亿吨以上，港口泊位1 0 0 0 多个。起重 运输机械作为物料搬运工具，装备着国民经济的各个部门，在现代化生产中占 有重要地位起重运输机械，在完成一个工作过程中，一般包括“储、装、运、 卸”作业，因而对于提高生产能力、保证产品质量、减轻劳动强度、降低生产 成本、提高运输效率、加快物资周转、流通等方面均有着重要的影响，对安全 生产、减少事故更有显著作用。龙门起重机作为物料搬运机械中的最主要的一 种，在各行各业中得到广泛的应用，龙门起重机起重范围可以从几吨到几十吨 甚至几百吨，在机械制造、冶金、钢铁、码头集装箱装运等行业都必须有龙门 起重机。而起升机构更是起重机的咽喉设备，因此对其进行研究，改进其结构 使其更加合理，使用更加方便，成本更加低廉，具有重要的现实意义。 1 5 2 本文主要研究内容 本文主要进行门式起重机起升机构的优化设计，主要研究内容包括： ( 1 ) 在第二章首先运用功能分析法、层次分析法，通过构造“功能一技术” 矩阵、判断矩阵，从定性和定量两个方面对门式起重机起升机构进行总体方案 标优化设计，属 引入到起升机构 以体积最小为目 和第四章的理论 2 起升机构的总体方案优化的研究 2 起升机构的总体方案优化的研究 起升机构用来实现物料垂直升降，是任何起重机不可缺少的部分，因而是 起重机最主要、也是最基本的机构。起升机构的安全状态，是防止起重事故的 关键，将直接地关系到起重作业的安全。 本章从起升机构的组成部分及设计的主要部件出发，分析了起升机构设计 的流程，论述了起升机构总体方案优化的过程。 2 1 起升机构的组成和主要设计部件及功能 2 1 1 起升机构的组成 起升机机构由驱动装置、传动装置、卷绕系统、取物装置、制动器及其他 安全装置等组成，不同种类的起重机需配备不同的取物装置，其驱动装置亦有 不同【3 。典型起升机构平面布置见图2 1 。 7 b l 硎n f 与u 图2 - 1 起升机构传动简图 卜驱动装置2 一联轴器3 - 制动器4 - 减速器5 - 联轴器6 一卷筒7 - 钢丝绳 8 - 吊钩滑轮组9 - 上升极限位置限制器 起重量超过l o t 时，常设两个起升机构：主起升机构( 大起重量) 与副起 升机构( 小起重量) 。一般情况下两个机构可分别工作，特殊情况下也可协同工 作。副钩起重量一般取主钩起重量的2 0 3 0 。 ( 1 ) 驱动装置。大多数起重机采用电动机驱动，它布置、安装和检修都很方 四川大学硕士学位论文 便。流动式起重机( 如汽车起重机、轮胎起重机等) 以液压装置或内燃机为原 动力，传动与操纵系统比较复杂。 ( 2 ) 传动装置。包括减速器、联轴器和传动轴。减速器常用封闭式的卧式标 准两级或三级圆柱齿轮减速器，起重量较大者有时增加一对开式齿轮以获得低 速大力矩。为补偿吊载后小车架的弹性变形给机构工作可靠性带来的影响，通 常采用有补偿性能的弹性柱销联轴器或齿轮联轴器，有些起升机构还采用浮动 轴( 也称补偿轴) 来提高补偿能力、方便布置并降低磨损。 ( 3 ) 卷绕系统。它指的是卷筒和钢丝绳滑轮组。桥架类型起重机采用双联滑 轮组，单联滑轮组一般用于臂架类型起重机。 ( 4 ) 取物装置。它是根据被吊物料的种类、形态不同，采用不同种类的取物 装置。取物装置种类繁多，使用量最大的是吊钩。 ( 5 ) n 动器及安全装置。制动器既是机构工作的控制装置，又是安全装置，因 此是安全检查的重点。起升机构的制动器必须是常闭式的。电动机驱动的起重 机常用块式制动器，流动式起重机采用带式制动器，近几年采用了盘式制动器。 一般起重机的起升机构只装配一个制动器，通常装在高速轴上( 也有装在与卷 筒相连的低速轴上) ；吊运炽热金属或其他危险品，以及发生事故可能造成重大 危险或损失的起升机构，每套独立的驱动装置都要装设两套支持制动器。制动 器经常利用联轴器的一个半体兼作制动轮，即使联轴器损坏，制动器仍能起安 全保护作用。 此外，起升机构还配备起重量限制器、上升极限位置限制器、排绳器等安 全装置。 2 1 2 起升机构主要设计部件及功能 起升机构主要设计部件包括滑轮、钢丝绳、卷绕装置( 卷筒) 、驱动装置( 电 动机) 和传动装置( 减速器) 。下面分别对各部件的功能进行介绍田l 。 ( 1 ) 滑轮的主要功能是改变钢丝蝇的走向，多个滑轮构成滑轮组时起到省 力、增速或省时的目的。滑轮目前已通用化，系列化和标准化，在起升机构的 设计中也是通过选型来实现。滑轮的材质有铸铁，尼龙和钢板焊接等，在设计 选用滑轮时要全面考虑重量和对钢丝绳使用寿命影响等因素。 ( 2 ) 钢丝绳作为起升机构中传动装置的一部分，起到起升货物，牵引载荷， 1 4 2 起开机构的总体方案优化的研究 承受拉力的作用。在起升机构中，钢丝绳是通过选型的方式实现的。起升机构 对纲丝绳的要求是承受拉伸、弯曲、扭转、压缩等复合应力以及冲击载荷等， 要求具有强度高，自重轻，挠性好运动平稳，不易骤然折断。钢丝绳已系列 化标准化，选型时应充分考虑这些环节。 ( 3 ) 卷筒的功能是卷绕、收放钢丝绳、传递动力、并把旋转运动变为直线运 动。起升机构对卷筒的设计要求是材质、尺寸和强度，多层绕卷筒通常为铸造 卷筒，为保证强度要求采用不低于h t l 5 0 的灰铸铁铸造，重要的卷筒可用不低于 q t 4 5 0 - 5 的球墨铸铁铸造。铸造卷筒的壁厚往往是由铸造工艺条件所决定，规定 - 所制作的卷筒壁厚与设计的壁厚之差不宜大于设计壁厚的1 4 ，否则会造成重量 过大。从传动机构方面来看，卷简直径越小越有利于降低减速机构的速比，从 而可以选用较小的减速器，使机构紧凑；但过小的直径，必然会使受力不够， 稳定性不好，在起升高度很大时，又希望有较大的卷简直径，所以应综合考虑。 总之，卷筒力求争取的方向是在保证强度条件下、力求体积小，重量轻，直径 适中，轴向尺寸不宜过长。现代设计方法也为卷筒尺寸设计和强度设计提供了 更可靠的依据，所以在进行优化设计时，卷筒的设计属于结构设计，具有可选 性。 ( 4 ) 电动机作为起升机构的驱动装置，主要起到为起升机构提供原动力，驱 动传动装置运作的作用，由于布置、安装和检修都很方便，大多数起升机构都 采用电动机驱动。在设计选用电动机时要全面考虑重量和功率等因素。 ( 5 ) 减速器的功能是用作减速与传递动力。起升机构对减速器的要求是传动 比范围及传递功率范围大，传递平稳，噪声小，效率高，经久耐用，寿命长， 体积小，重量轻等，从而可以最大限度地实现减速器功能，圆柱齿轮减速器具 有结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单等优点。但在减速 器采用传统设计方法当中，仍有很大程度不够精确合理、估算范围较大的缺点， 现代设计方法的提供，可使设计参数更精确和合理，这是进一步提高功能利用 率的一个途径。例如，如何在保证各个设计参数满足设计要求的情况下采用优 化设计，尽可能地减小体积和重量，极大地提高设计质量和经济效益。 1 6 图2 - 2 起升机构设计流程示意图 2 3 起升机构总体方案优化过程 2 3 1 方案优化原理 方案优化是在只有任务要求、用户要求或总功能要求，而没有原理方案限 制下，利用创造工程和功能形态学矩阵等方法产生众多的原理方案，再根据所 追求的目标准则在特定的约束条件下对各个原理方案在技术性能、经济效益、 社会效益等诸多方面进行筛选、评价、决策，得出最优方案的过程和方法。3 3 1 1 7 四j i i 大学硕士学位论文 方案优化是比参数优化层次更高的优化设计。当今通用的以数学规划论为 理论的最优化设计是在产品原理方案已定的情况下，对其局部进行参数优化的 方法。由于参数优化未涉及到更高层次的原理方案优化，不能代表产品的整个 设计，说明不了产品设计的全过程。因此对门式起重机起升机构进行方案优化、 得出门式起重机起升机构的创新性和飞跃性设计是非常必要的。 门式起重机起升机构具有三个子功能：原动力、传动装置、传出装置每 个子功能可以通过不同的结构来实现。如原动力可以采用电动机传动、液压马 达传动、机械传动等方式；传动装置可以采用齿轮传动、带传动、链传动、磨 擦轮传动来实现，而其中齿轮传动又可以采用圆柱齿轮传动、行星轮传动、蜗 杆蜗轮传动等方式实现；传出装置一般选用卷筒来实现。因此门式起重机起升 机构有许多原理方案。但是传统设计方案选择主要根据经验确定，提出方案数 目很少，很难选出最佳原理方案p 4 l 。为此，本文采用功能分析法对门式起重机 的起升机构进行方案优化设计，构成“形态学矩阵”。得到系统总体解析的全 部方案，并通过科学的评价和决策，运用层次分析法从定性和定量两个方面分 析得出最优方案。 2 3 2 起升机构方案的初步优化设计 前面已经提到，起升机构具有三个子功能：原动力、传动装置、传出装置。 每个子功能可以通过不同的结构来实现。确定每个子功能的可能解，即可形成起 升机构的形态学矩阵( 见表2 - 1 ) 。 可 子功能可能解 功义解 庀 ，= lj = 2，= 3j = 4 原动力 l 1 ll 1 2 l 1 3 0 = 1 )电动机驱动液压马达驱动机械传动 传动装置 l 2 1l 2 2 l 2 3 l 2 4 0 = 2 ) 齿轮传动带传动 链传动 摩擦轮传动 传出装置l 3 l 2 起升机构的总体方案优化的研究 o = 3 ) l 卷筒 lil 表2 - 1 起升机构的形态学矩阵 由该矩阵得出如下1 2 种方案：l 1 1 + l 2 1 + l 3 1 、l i i + l 2 2 + l 3 1 、l i i + l 2 3 + l 3 1 、 l l l + l 2 4 + l 3 1 、l 1 2 + l 2 1 + l 3 l 、l 1 2 + l 2 2 + l 3 l 、l 1 2 + l 2 3 + l 3 1 、l 1 2 + l 2 4 + l 3 1 、 l 1 3 + l 2 1 + l 3 1 、l 1 3 + l 2 2 + l 3 1 、l 1 3 + l 2 3 + l 3 1 以及l 1 3 + l 2 4 + l 3 1 。采用5 分制 按照o ( 不能用) 、l ( 勉强可用) 、2 ( 可用) 、3 ( 良好) 、4 ( 很好) 的次序判断方案的优 劣。依据经验决策法，对各方案进行评分，得出的结果见表2 - 2 。 方案l 1 1 + l 2 i + l 3 1l 1 1 + l 2 2 + l 3 1l i i + l 2 3 + l 3 1l 1 1 + l 2 4 + l 3 l 评分 4o0l 方案 l 1 2 + l 2 i + l 3 1l 1 2 + l 2 2 + l 3 1l 1 2 + l 2 3 + l 3 ll 1 2 + l 2 4 + l 3 1 评分 3o01 方案l 1 3 + l 2 1 h o ll 1 3 + l 2 2 + l 3 ll 1 3 + l 2 3 + l 3 1l 1 3 + l 2 4 + l 3 1 评分 2o0l 表2 - 2 各方案评分结果 根据表2 - 2 的结果，门式起重机起升机构的初级优化方案为l 1 l + l 2 1 + l 3 1 ， 即“电动机驱动一齿轮传动一卷筒”为最佳方案。而齿轮传动又可以采用圆柱 齿轮传动、行星轮传动、蜗杆蜗轮传动等方式实现。