張艷山，朱亞偉

（黃淮學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

起重機(jī)吊鉤的SIX SIGMA優(yōu)化設(shè)計(jì)

張艷山，朱亞偉

（黃淮學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

依據(jù)某礦用起重機(jī)吊鉤實(shí)際模型，以ANSYS為工作平臺(tái)，繪制吊鉤三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行倒角、圓整處理。結(jié)合力學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)吊鉤進(jìn)行受力分析，找出吊鉤的危險(xiǎn)截面，對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，得出最小安全因子?？紤]到人為誤差會(huì)在一定程度上影響到吊鉤的結(jié)構(gòu)性能，使用6sigma參數(shù)化模塊來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，找出影響結(jié)構(gòu)的參數(shù)，使用響應(yīng)面優(yōu)化對(duì)模型尺寸進(jìn)行優(yōu)化，找出最優(yōu)模型。

起重機(jī)吊鉤；危險(xiǎn)截面；安全因子；6sigma；響應(yīng)面優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.029

CLC NO.: TD40 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-79-03

引言

起重機(jī)是在一定范圍內(nèi)垂直提升以及水平搬運(yùn)重物的多動(dòng)作起重機(jī)械，在一定程度上大大的提高了生產(chǎn)工作效率，因此廣泛的應(yīng)用于日?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)、車(chē)間、倉(cāng)庫(kù)以及露天煤礦等處的物品裝卸。而吊鉤是起重機(jī)上應(yīng)用最普遍的取物裝置，由于其特殊的安裝位置，幾乎承載著起重機(jī)工作的全部載荷[1]，吊鉤設(shè)計(jì)直接影響到起重機(jī)運(yùn)輸重物的性能，避免因設(shè)計(jì)的不合理性造成脆性斷裂，影響施工人員生命安全。

1、模型描述

研究對(duì)象是某起重機(jī)吊鉤，基本外廓尺寸為200×300 ×60mm，結(jié)合力學(xué)相關(guān)知識(shí)以及起重機(jī)實(shí)際工作情況，對(duì)吊鉤進(jìn)行受力分析，如下力學(xué)模型簡(jiǎn)圖所示。

吊鉤的危險(xiǎn)截面：吊鉤的危險(xiǎn)截面是日常檢查和安全檢查時(shí)的重要部位，當(dāng)起重機(jī)開(kāi)始工作的時(shí)候，吊鉤承擔(dān)所有重量，經(jīng)過(guò)對(duì)吊鉤的受力分析，得出吊鉤有以下危險(xiǎn)截面。下面對(duì)圖1所示吊鉤力學(xué)模型進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)吊掛在釣鉤上的重物的重量為G。結(jié)合力學(xué)相關(guān)知識(shí)，可得出如下結(jié)果。

圖1　吊鉤力學(xué)模型簡(jiǎn)圖

（1）B-B截面：由于重物的重量通過(guò)鋼絲繩豎直向下直接作用在這個(gè)截面上，此作用力有把吊鉤切斷的趨勢(shì)，在這個(gè)截面上產(chǎn)生剪切應(yīng)力。又由于該處是鋼絲繩索具或輔助吊具的吊掛點(diǎn)，索具等經(jīng)常對(duì)此處摩擦，該斷面會(huì)因磨損而使其截面積減小，從而增大剪斷吊鉤的危險(xiǎn)。

（2）A-A截面：吊鉤在重物重量G的作用下，產(chǎn)生拉、切應(yīng)力之外，還有把吊鉤拉直的趨勢(shì)，圖中所示的吊鉤中，中心線以右的各個(gè)截面除受拉伸之外，還受到力矩M的作用。在力矩M的作用下，A-A截面的內(nèi)側(cè)受力為G力的拉應(yīng)力和M力矩的拉應(yīng)力疊加，外側(cè)為G的拉應(yīng)力與M力矩的壓應(yīng)力疊加，使吊鉤發(fā)生彎曲損壞[2]。

2、仿真分析

結(jié)合起重機(jī)吊鉤實(shí)際尺寸，在ANSYS里面建立三維模型，結(jié)合力學(xué)分析要求，可對(duì)模型進(jìn)行倒角以及圓整處理，減少劃分網(wǎng)格的數(shù)量，提高運(yùn)算效率。根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，定義輸入?yún)?shù)為Back_ds=200,Bottom_ds=200以及Depth_ds= 60來(lái)進(jìn)行多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。

對(duì)吊鉤固定處施加固定約束，對(duì)鉤環(huán)內(nèi)表面施加集中力[3]，定義輸出參數(shù)：Equivalent stress（等效應(yīng)力），Total deformation（整體變形）和Safety factor（安全因子）[4]，求解結(jié)果如下圖所示。

圖2　Total Deformation云圖

最大變形量為0.12362mm,位于吊鉤勾環(huán)外側(cè)。由圖3可知最大應(yīng)力值為41.062MP，大體上位于圖1所示的A-A截面位置，符合力學(xué)模型分析的結(jié)果。

求解結(jié)束時(shí)注意：如圖4所示，最小安全因子為6.0883，接近6.0 。因?yàn)檫@個(gè)接近于期待的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)在計(jì)算包含了和人為的不確定性，因此將應(yīng)用到Design Exploration的Six Sigma來(lái)分析它。

圖3　Equivalent Stress云圖

圖4　Safety Factor數(shù)值示意圖

3、six sigma優(yōu)化

在ANSYS分析模塊里面添加6sigma模塊，將靜力學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)于吊鉤分析的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)關(guān)系傳遞到優(yōu)化模塊。給每個(gè)輸入?yún)?shù) Back_ds, Bottom_ds以及Depth_ds指定標(biāo)準(zhǔn)差為0.8，分布形式為正態(tài)分布。將Design of Experiments類型設(shè)值為Central Composite Design進(jìn)行更新，得出如下結(jié)果。

圖5　DOE設(shè)計(jì)點(diǎn)結(jié)果

將響應(yīng)面類型設(shè)置為完全二次多項(xiàng)式，為了保證Six Sigma Analysis的普遍性，設(shè)置分析樣本數(shù)量為10000，大量的樣本數(shù)量可以在一定程度上消除起重機(jī)吊鉤實(shí)際加工生產(chǎn)的特定性以及人為造成的影響，保證產(chǎn)品的隨機(jī)性，提高分析結(jié)果的可用性。仿真結(jié)束后，查看Safety Factor Minimum數(shù)值表格以及柱狀圖如下。

圖6　Safety Factor Minimum數(shù)值表格

圖7　Safety Factor Minimum柱狀圖

結(jié)合圖6以及圖7所示結(jié)果可知，安全因子低于目標(biāo)6的可能性為28.598%，大約是30%。查看靈敏度圓形圖可知，吊鉤尺寸輸入?yún)?shù)Back_ds對(duì)吊鉤的應(yīng)力、變形量以及最小安全因子影響最大，其次是Depth_ds,而參數(shù)Bottom_ds對(duì)三者的影響相對(duì)較小。

圖8　吊鉤力學(xué)模型簡(jiǎn)圖

通過(guò)6sigma模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真出安全因子小于6的可能性數(shù)值大小。結(jié)合靈敏度圓盤(pán)圖，識(shí)別出影響吊鉤性能的尺寸參數(shù)，為了求出最優(yōu)模型參數(shù)尺寸，再結(jié)合Response Surface Optimization響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，將Back_ds,Bottom_ds以及Depth_ds 作為輸入?yún)?shù)，設(shè)定三個(gè)尺寸輸入?yún)?shù)的上下邊界值，將Total Deformation Maximum、Equivalent Stress Maximum以及Safety Factor Minimum三個(gè)輸出參數(shù)設(shè)置好約束條件，[5]設(shè)定10000個(gè)樣本，采用Screening方式選出最佳候選點(diǎn)，如圖9所示。

圖9　吊鉤力學(xué)模型簡(jiǎn)圖

考慮到三個(gè)候選點(diǎn)的星數(shù)相同，將三個(gè)點(diǎn)都帶入當(dāng)前設(shè)計(jì)點(diǎn)分別求解，得出不同輸入?yún)?shù)P1、P2以及P3對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值、最大變形量以及最小安全因子，如下表1所示。

表1　候選點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

由表1可知，從最大應(yīng)力值看，Point3表示的吊鉤尺寸應(yīng)力數(shù)值最大，其次是Point1，然后是Point2；從最大變形量來(lái)看，變量最大的是Point2表示的吊鉤，其次是Point3，最后是Point1.從滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性基礎(chǔ)上，最優(yōu)的設(shè)計(jì)點(diǎn)是Point1。結(jié)合到實(shí)際情況，在三者應(yīng)力和變形量數(shù)值大小接近，要考慮人為因素的影響，根據(jù)6Sigma分析結(jié)構(gòu)，選擇Point3來(lái)作為最優(yōu)解，即Back_ds=201.95mm、Bottom_ds=200.4mm 以及 Depth_ds=61.975mm，優(yōu)化結(jié)果相對(duì)于起始值，最大應(yīng)力以及最大變形量數(shù)值有所減小，滿足條件。

4、總結(jié)

依據(jù)起重機(jī)吊鉤的工作情況，結(jié)合力學(xué)相關(guān)知識(shí)建立吊鉤的力學(xué)模型，分析起重機(jī)工作時(shí)的吊鉤的危險(xiǎn)截面。使用ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化繪制，通過(guò)靜力學(xué)分析，驗(yàn)證理論分析的正確性?？紤]到人為因素對(duì)吊鉤使用性能的影響，使用6Sigma優(yōu)化模塊，設(shè)置多組樣本，排除制作過(guò)程中的特定性，增強(qiáng)樣本的隨機(jī)性，使結(jié)果更具可信度。目標(biāo)仿真出安全因子低于目標(biāo)值的可能性，找出影響吊鉤性能的影響參數(shù)，使用Response Surface Optimization響應(yīng)面優(yōu)化方式設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，找出符合要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，得出最優(yōu)模型，為吊鉤的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[1]白學(xué)勇.直柄吊鉤的動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011,（6）：61-63.

[2]姚玉梅,牛超,孔憲華.起重機(jī)升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的建模及仿真研究[J].工礦自動(dòng)化,2012(8):59-62.

[3]高素荷,李朗明.800t鑄造起重機(jī)雙鉤式吊鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].研究與探討，2010（12):87-90.

[4]李水水,李向東,范元?jiǎng)?卜廷春.基于ANSYS 的起重機(jī)吊鉤優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(4):37-38.

[5]蘇偉,董繼先,樊聯(lián)哲.基于Workbench 的振動(dòng)磨機(jī)主彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2015,34(2):237-240.

SIX SIGMA optimization design of crane hook

Zhang Yanshan, Zhu Yawei
（School of Machinery and Energy Engineering, Huanghuai University, Henan Zhumadian 463000 )

According to mine with the crane hook actual model, based on ANSYS platform, draw hook 3 d model, and the model of chamfering, roundness. Combining mechanics knowledge, stress analysis was carried out on the hook, find out the dangerous section of a hook, finite element analysis was carried out on the model, it is concluded that the minimum safety factor. Considering the human error can be in a certain extent, affect the hook structure performance, using six sigma parameterized module to evaluate the design, verify the rationality of the design, influencing parameters of the structure, using the response surface optimization size optimization of the model, find out the optimal model.

The crane hook; Dangerous section; Safety factor; Six sigma; The response surface optimization

TD40 文獻(xiàn)表示碼：A

1671-7988（2016）11-79-03

張艷山 (1980-)，男，河南周口人，碩士，就職于黃淮學(xué)院。主要研究方向：汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與控制。

黃淮學(xué)院優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目（1501YK026）。