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        雙梁橋式起重機箱型主梁輕量化設(shè)計探討

        2014-12-06 09:29:08耿培濤王全先張曉飛
        冶金動力 2014年8期
        關(guān)鍵詞:箱型腹板輕量化

        耿培濤,王 洋,王全先,張曉飛

        (1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪公司,安徽馬鞍山 243000;2.安徽工業(yè)大學機械工程學院,安徽馬鞍山 243002)

        1 引言

        起重設(shè)備的大型化、高速化、專用化、智能化等發(fā)展趨勢已經(jīng)得到行業(yè)的公認,但起重機械設(shè)備的輕量化設(shè)計開發(fā)技術(shù)并未引起重視。我國起重設(shè)備一直沿用北京起重設(shè)備研究院和上海起重設(shè)備研究院提供的圖紙和技術(shù)數(shù)據(jù),其設(shè)備自重比國外同類產(chǎn)品的自重大30%。

        起重設(shè)備的輕量化不僅可以降低起重設(shè)備產(chǎn)品生產(chǎn)成本、降低起重設(shè)備的功耗,而且可以降低使用廠家廠房的投資,符合國家節(jié)能降耗的戰(zhàn)略要求。

        箱型主梁是橋式起重機的主要部件之一,直接承載著起重量。在保證使用性能的前提下,降低其重量將明顯降低整機的重量。國內(nèi)外研究學者對箱型主梁結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計[1-2],但基本上都是針對箱型主梁的某一種截面形狀進行優(yōu)化設(shè)計方法研究。

        本文將根據(jù)橋式起重機起重量和跨距,采用優(yōu)化設(shè)計方法尋求重量最輕的箱型主梁的截面形狀,并在設(shè)計不同規(guī)格起重量和跨距的箱型主梁時,能采用特定優(yōu)化程序?qū)崿F(xiàn)快速設(shè)計。

        2 橋式起重機箱型主梁主要截面形狀

        雙梁橋式起重機的箱型主梁,材料為Q 235-B。為簡化模型,均舍去了梁內(nèi)部的筋和隔板。優(yōu)化結(jié)果在此基礎(chǔ)上加上筋和隔板將更加安全。為了尋求箱型主梁輕量化,需要研究箱型主梁在滿足應力、變形、穩(wěn)定性等條件下針對可能采取的如圖1所示主梁截面(矩形正軌梁、矩形偏軌梁、正梯形偏軌梁),何種截面形狀對應的主梁最輕。

        3 橋式起重機箱型主梁輕量化優(yōu)化設(shè)計方法

        3.1 箱型主梁優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型

        取主梁質(zhì)量最輕為優(yōu)化設(shè)計目標,假設(shè)主梁為橫截面梁,則圖1所示截面形狀的單根主梁的質(zhì)量統(tǒng)一為:

        設(shè)計變量為:

        式中設(shè)計變量相應的符號意義對應于圖1中主梁截面形狀的尺寸。L為主梁跨度。對于矩形正軌梁,b1=b2,h0=b3,δ3=δ4。對于矩形偏軌梁 h0=b3,δ3=δ4。在約束條件中加入對應的等式約束。根據(jù)文獻[4],設(shè)計箱型主梁應滿足以下約束:

        (1)主梁高度與跨度之比大于1/20

        (2)主梁高度與腹板距之比≤0.35

        (3)腹板距與跨度之比≥1/60

        (4)主腹板高度與腹板厚度之比≤270

        (5)主梁合成正應力(活動載荷居中時)小于170M Pa

        式中,ξ1——考慮約束扭轉(zhuǎn)正應力的系數(shù),為1.08,

        即不高于彎曲應力的8%;

        ξ2——考慮約束彎曲應力的系數(shù),為1.75(b0+δ3+δ4)/L;

        Wx——抗彎截面系數(shù),Ⅰx/Z1,Ⅰx為相對于x軸

        1的截面慣性矩,不同截面形狀須分別列出計算公式;

        Wy——抗彎截面系數(shù),Ⅰy/Y1,Ⅰy為相對于y軸

        1的截面慣性矩,不同截面形狀須分別列出計算公式;

        Wy——抗彎截面系數(shù),Ⅰy/Y2,Ⅰy為相對于y軸

        2的截面慣性矩,不同截面形狀須分別列出計算公式;

        M(P+g)——小車居中時,主梁最大彎矩。

        圖2 驅(qū)動側(cè)主梁載荷受力簡圖

        (6)主梁合成剪應力≤100

        式中,θmax——最大剪切力;

        M——主梁跨端扭矩

        0

        圖3 主梁外載及支承反扭矩

        式中,P1、P2——小車輪壓;

        KT——小車輪距。

        圖1 各種主梁截面形狀

        (8)動剛度小于0.3s

        式中,M——主梁及小車換算質(zhì)量,(0.5 qL+GJ1)/g;

        q——主梁單位長度的質(zhì)量;

        K——垂直平面內(nèi)主梁剛度,為48 EⅠx/L3。

        (9)邊界約束條件

        根據(jù)鋼板厚度和寬度限制,給9個設(shè)計變量設(shè)定的上下界約束。

        3.2 箱型主梁輕量化設(shè)計方案

        優(yōu)化設(shè)計方法選用MATLAB L E中求解約束非線性規(guī)劃問題的f m i n c o n函數(shù),使用格式是:

        [x,fval,exitflag,output,hessian]=fmincon(@fun,x0,A,b,Aeq,beq,Lb,Ub‘,Nlc’,options,P1,P2,…)

        按MATLAB格式[4]編寫專用化程序。

        由于f m i n c o n函數(shù)是針對連續(xù)變量而言的,而本文設(shè)計變量中涉及到的鋼板厚度是離散變量,而且要符合鋼板厚度系列。由于混合離散變量優(yōu)化設(shè)計問題尚處于初級研究階段,故本文采用“二次優(yōu)化設(shè)計方法”,既先將離散變量轉(zhuǎn)為連續(xù)變量,調(diào)用專用優(yōu)化函數(shù)進行初步優(yōu)化,然后對四個離散函數(shù)變量逐個進行歸為處理。如第一步優(yōu)化的x2值為5.89,則取最接近此值且大于此值的板厚標準值6,然后剔除變量x2,再進行連續(xù)變量優(yōu)化,確定離散變量x4的值,依此類推,再確定其他設(shè)計變量的最優(yōu)值。針對圖1所示三種不同截面形狀,編寫三個專用優(yōu)化程序,分別采用上述“二次優(yōu)化方法”進行計算,比較目標函數(shù)值,最終確定出箱型主梁截面形狀及其對應尺寸。

        4 算例

        根據(jù)20t/22.5m雙梁橋式起重機的主梁設(shè)計參數(shù),利用本文優(yōu)化數(shù)學模型優(yōu)化設(shè)計結(jié)果見表1。

        表1 起重機主梁三種截面形狀對應的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

        項目幾 何 參 數(shù)/m m 性 能 參 數(shù)b1(上蓋板寬度)δ1(上蓋板厚度)b2(下底板寬度)δ2(下底板厚度)b3(右腹板長度)δ3(右腹板厚度)h0(左腹板高度)δ4(左腹板厚度)b0(腹板間距)最大正應力/M Pa垂直面內(nèi)變形/m m動剛度/s優(yōu)化結(jié)果單根梁重量/N原始設(shè)計優(yōu)化設(shè)計值矩形正軌梁矩形偏軌梁正梯形偏軌梁5001250012130061300644011620.160.25566704401044010133061330640813323.540.27508405501042010121061210638015027.520.29509005201054010117061160638015327.800.2952210

        由表1計算結(jié)果可看出,對于20t/22.5m規(guī)格的起重機,三種截面中,主梁截面取矩形正軌梁形式時其重量、應力、垂直面內(nèi)變形及動剛度均最小,此時決策是明確的,該規(guī)格起重機主梁截面取矩形正軌梁,優(yōu)化結(jié)果比現(xiàn)役起重機主梁自重減輕了約10%,應力、變形及剛度均有增加,但不超過起重機主梁使用許可條件,充分發(fā)揮了材料的潛能。當三種截面優(yōu)化結(jié)果中重量、應力、垂直面內(nèi)變形及動剛度不是同時達到最小時,要綜合走臺結(jié)構(gòu)、加強筋的添加、工作環(huán)境及偏重于強度還是剛度等,進行決策。

        需要指出的是,當起重機規(guī)格加大到一定程度時,矩形偏軌梁或正梯形偏軌梁的效果可能優(yōu)于矩形正軌梁。

        5 結(jié)論

        根據(jù)三種截面形式的主梁優(yōu)化數(shù)學模型,利用MATLAB L E中求解約束非線性規(guī)劃問題的f m i n c o n函數(shù)開發(fā)了相應的應用程序,實現(xiàn)了雙梁橋式起重機箱形主梁的快速設(shè)計,提高了設(shè)計效率和質(zhì)量,設(shè)計出的主梁質(zhì)量輕,滿足強度剛度及工藝要求。

        針對某規(guī)格橋式起重機主梁的設(shè)計,到底采用哪種截面形式,取決于優(yōu)化計算結(jié)果,但要結(jié)合起重機工作實際工況要求,以及強度還是剛度的側(cè)重點,從三個計算結(jié)果中進行比較權(quán)衡選擇一種截面形式。一般地,起重量小于50t的小規(guī)格雙梁橋式起重機主梁截面形式大多采用矩形正軌梁,大規(guī)格的大多采用矩形偏軌梁。

        雙梁橋式起重機主梁的輕量化不僅與主梁的截面尺寸有關(guān),而且與截面形式有關(guān)。本文提出了三種主梁截面形式,或許還有其他好的截面形式,有待進一步探討。

        [1]田國富,孫書慧,程艷輝.橋式起重機箱型梁的優(yōu)化設(shè)計[J].沈陽工業(yè)大學學報,2000,22(6):463-464.

        [2]程賢福.橋式起重機箱型主梁的優(yōu)化設(shè)計[J].華東交通大學學報,2004,21(4):113-114.

        [3]陳國璋等.起重機計算實例[M].北京:中國鐵道出版社,1985.

        [4]郭仁生.基于MATLAB和P r o/E n g i n e e r優(yōu)化設(shè)計實例解析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

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