基于行星传动的起重机结构轻量化与机构减量化设计研究.pdf
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1、752023 年第 18 期/张天祥,刘文明,赵朝云,等.基于行星传动的起重机结构轻量化与机构减量化设计研究 J.起重运输机械,2023(18):75-81.引 用 格 式0 引言随着科技和社会的发展进步,起重机研发水平也在大幅提升。目前,以“双碳”为目标起重机设计与技术研发工作正如火如荼开展,并产生了诸多高水平的研究成果。但是,在面向生命周期绿色化的起重机创新研发过程中仍存在诸多待解难题,传动系统的减量化与新型传动方式的创新设计方案就是其中之一。且由于起重机结构与机构间存在基于载荷的耦合关系,为面向机构减量化-结构轻量化的起重机整机减重设计提供了可能。李军等1针对起重机主梁质量过大的问题,采
2、用混合了引力搜索的遗传算法优化,结果表明混合 GSA-GA 算法具有重要的指导意义;周珊珊等2针对主起升机构设计新的布局方案有效地降低了起重小车的质量;康振扩等3利用篮球联赛优化算法实现起重机主梁轻量化,取得最优解,并且验证可行性;梁其传等4提出了一种基于稀疏网格模型和 MOGA 算法的优化方法,使基于行星传动的起重机结构轻量化与机构减量化设计研究*张天祥1 刘文明2 赵朝云2 季泽斌1 孙海泷11 太原科技大学机械工程学院 太原 030027 2 河南东起机械有限公司 长垣 453499摘 要:针对起重机结构质量过大、机构能耗高等问题,文中提出一种基于系统集成和结构优化的面向起重机整机的轻量
3、化设计方案。首先,针对起重机小车进行机构减量化设计研究,采用行星减速传动方案进行传动系统布局重构,采用模块化设计思路,实现起重机小车减量化设计;采用智能优化算法对结构设计参数进行基于整机设计安全的搜索与优化,实现面向起重机结构的轻量化设计。将 2 种面向起重机减重的设计方案进行系统集成,以通用桥式起重机整机为对象对本文研究内容进行验证分析后可知,通过新型起重机设计方案可实现起重小车减重 46.88%,起重机主梁结构减重 15.36%的效果。本研究为起重机整机的轻量化设计提供了一种新的思路和方案,对于推动起重机轻量化、绿色化的发展方向具有一定参考价值。关键词:起重机机构;起重机结构;多镜面反射算
4、法;轻量化中图分类号:TH21 文献标识码:A 文章编号:1001-0785(2023)18-0075-07Abstract:Considering the mass of crane structural materials and high energy consumption of the mechanism,in this paper,a lightweight design scheme for the whole crane based on system integration and structural optimization is proposed.Firstly,the
5、 reduction design of crane trolley was studied,and the layout of transmission system was reconstructed by adopting planetary reduction transmission scheme,and the reduction design of crane trolley was realized by adopting modular design idea.Through the intelligent optimization algorithm,the structu
6、ral design parameters were searched and optimized based on the safety of the whole machine design,and the lightweight design of the crane structure was realized.According to the system integration of two crane weight reduction schemes,the research contents in this paper are verified and analyzed.The
7、 results show that the new crane design scheme can reduce the weight of the crane trolley by 46.88%and the weight of the crane main beam structure by 15.36%,which provides a new idea for the lightweight design of the whole crane and provides a reference for promoting the development of lightweight a
8、nd green crane.Keywords:crane mechanism;crane structure;multi-mirror reflection algorithm;lightweight design*基金项目:太原科技大学大学生创新创业训练计划资助(项目编号:XJ2022179,XJ2022177)DESIGN CALCULATION设计计算76/2023 年第 18 期双梁桥式起重机的质量减轻了 9.6%;张亮有等5提出了起重机主梁响应面轻量化设计方法,简化模型并进行静力学分析,最终减重 17.14%;翁飞翔等6提出稳健优化设计方法,对主梁进行确定性优化和可靠性分析,实现了
9、主梁体积下降 8.26,并保证了结构的可靠性;郑勇强等7采用变密度概率法拓扑优化模型,灰色关联分配权重,经二次设计提高可靠性与性能;田大海等8提出了搜索空间自适应调整蜂群算法,可减轻起重机主梁自身质量、实现主梁轻量化。国外的 Savkovi M M 等9采用多种生物学启发算法进行单梁桥式起重机主梁箱形截面优化设计,验证了方法的有效性,并介绍了其应用于单梁桥式起重机具体求解的方法的优缺点;Xu X 等10提出了一种区间不确定性下混合搜索算法(MDOHSA)应用于薄壁结构设计优化,结合灰狼和模式搜索算法,有效提高设计效率。上述研究均为实现起重机减重提供了有益借鉴,但面向起重机结构-机构的联合优化设
10、计研究仍未广泛开展,本文将提出一种面向起重机整机的系统集成优化方案,通过对机构的创新减量化设计和结构的轻量化研究,在起重机整机安全性能不退化的情况下实现起重机整机的减重研究。本文将以起重量为 32 t、跨度为 22.5 m 的起重机为研究对象,通过采用基于行星传动的减速方案实现机构的高效传动与减量化,并在此基础上通过智能优化算法实现起重机结构的轻量化设计研究,为起重机整机减重设计提供创新解决方案。1 起重机小车创新设计研究1.1 小车参数本文涉及 2 种类型桥式起重机,传统起重机小车和行星传动起重机小车。跨度 22.5 m,起重量 32 t,整机工作级别 A6,结构材料为 Q355,起升速度
11、12.5 m/min,小车运行速度 20 m/min,大车运行速度 60 m/min。传统起重机小车如图 1a 所示,多为 2 根端梁和 2根横梁组成框架结构,上面铺钢板,所述纵梁多采用焊接箱形,横梁呈焊接箱形,小车架设有主副钩。目前,国内普遍使用这种结构形式的小车来起升货物,以提高装卸效率及降低劳动强度。虽然这种小车具有制造工艺简单、维护方便、价格低等优点,但是自重大、传动效率低、传动噪声大等缺陷始终无法避免。为解决传统起重机小车面临的上述问题,本文提出采用基于行星减速的传动方案对起重机小车进行创新设计,改进后的起重机小车模型如图 1b 所示。(a)传统起重机小车(b)行星传动起重机小车图
12、1 起重机小车三维模型行星传动起重机小车具有自重轻、高度较低、配置优良、传动效率高、低噪音、节能环保等优点。设计方案为紧凑型,电动机、减速器和卷筒等集于一体,采用模块化设计思路,充分保障了设计的先进性,运行的安全性,运行的方便和高效性,结构的合理性以及操作的简便性和维护的方便性。1.2 小车主起升机构对比起升机构是起重机不可缺少的,升降物体的基本结DESIGN CALCULATION设计计算772023 年第 18 期/构。由起升电动机、联轴器和减速器组成。起升电动机通过联轴器连接减速器,再通过减速器的减速增矩功能输出较大转矩的空心轴,带动卷筒转动,从而推动缠绕在卷筒内的钢丝绳/缆线推动吊钩装
13、置升降。对于不同的升降高度,可能需要配置不同的联轴器和支持架。起升机构的运行情况会对整个起重机运行性能产生直接的影响。传统起重机起升机构是以典型的平行轴排列方式设计起升机构,它是起重机最基本的形式之一。双轴布置形式就是将两轴平行布置且两轴间距一定的机械设备常用布置形式。该布置形式具有能够减小机械装置空间体积并能降低装置间摩擦和提高装置效率等优势,但是该布置形式通常有较大的自重不符合未来绿色化发展的大方向。如图 2 所示起升机构为采用行星传动的三合一电动机,同轴线排列,使各个组成部分的布置更合理,结构更紧凑;在此基础上,相对于传统的驱动结构,三合一的电动机具有美观便携、高度集成、尺寸小、噪声小和
14、稳定性高的优点;安装调试将越来越方便、快捷,此外,可有效地减少运行故障率,增加起重机承载能力。1.三合一起升电动机 2.卷筒组 3.定滑轮组 4.钢丝绳 5.吊钩组 图 2 行星传动起重机小车主起升机构钢丝绳是桥式起重机的柔性部件,主要用于起升机构。通过缠绕在卷筒和滑轮组上来完成吊钩组的提升和下降。桥式起重机的直接承重部件是钢丝绳,为了省力,桥式起重机起升机构通常采用双联滑轮组。而双联滑轮组的倍率为钢丝绳分支数一半或等于动滑轮个数。如图3 所示可知传统起重机小车倍率为 4,行星传动起重机小车倍率为 6,故行星传动起重机小车更省力,但是提高相同的高度往往需要转动更多的圈数。图 3 2 种小车的钢
15、丝绳缠绕对比1.3 小车运行机构运行机构可以达到横向搬运材料的目的,而桥式起重机小车运行机构通常位于其主梁之上,用来搬运被吊起的物品移动,起重机起吊物料后,运行机构承担着将水平搬运的任务。如图 4 所示小车运行机构为平行轴减速器,平行轴减速器具有尺寸小、平行输出,较小的回转间隙、高传动效率、大减速比、高精度、长寿命以及巨大的额外输出扭矩等特点。因此,在伺服、步进、直流和其他类型的电动机传动系统中经常使用。目的是确保平稳传动,主要方法是增加扭矩,降低转速,以及减少负载和电动机惯量比。1.车轮组 2.减速电动机图 4 行星传动起重机小车运行机构2 小车轮压计算桥式起重机轮压是通过小车车轮垂直作用于
16、轨道上。由于起重机作业工况复杂,其载荷情况与普通车辆有较大区别,因此,必须采用正确的计算方法才能保证DESIGN CALCULATION设计计算78/2023 年第 18 期计算结果的准确性和合理性。轮压计算在起重机设计制造中具有举足轻重的作用。目前国内大多数起重机械生产厂家都采用传统的方法进行轮压值的估算与校核,但这种计算方法工作量大、精度低,且不能保证计算结果的正确性。起重机的最大轮压主要用于计算起重机运行机构的零部件和金属结构的强度,也可以用于建造轨道支撑结构的数据。因此,正确地选择起重机的额定载荷并准确地进行轮压计数值就显得尤为重要。这说明如果轮压计算的过程中发生偏差,对于起重机的整体
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