刘 力 李明万

1 概述

起重机是现代工业生产不可缺少的设备,被广泛的应用于各种物料的起重、装卸、安装等作业中,大大减轻了体力劳动强度,提高了劳动生产率。在一般的机械产品设计中,设计成本在整个机械产品成本中占的比例不到30%,但对产品质量的贡献率可达70%以上[7]。对于起重机械,同样如此。因此,要提高起重产品的质量,降低生产成本,利用先进的设计方法是必不可少的。

起重机械的设计方法与起重机械的发展方向和机械设计方法的发展方向是密切相关的。下面作者将从以上两个方面探讨起重机械的现代设计方法。

2 起重机的发展方向及机械现代设计方法

2.1 起重机的发展方向[3]

由于我国起重机械行业发展起步较晚,虽然在技术水平上有了长足的发展和进步,但与国际水平相比还存在一定的差距,如：产品性能一般,产品开发能力较弱,制造工艺水平较低,产品检测水平不高,配套件供应和质量问题影响较大,产品技术标准更新落后,实施乏力等。

因此,为了适应工业的迅猛发展,与国际发展接轨,许多起重机设计制造企业从各个环节上谋求了不同程度的发展,主要发展方向为：向大型、高效、节能方向发展;向自动化、智能化、集成化和信息化方向发展;向小型化、轻型化、简单化和多样化发展;向成套化、系统化、综合化和规模化发展;向模块化、组合化、系列化和通用化发展;采用新理论、新方法、新技术和新手段提高设计质量;采用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能等。

2.2 机械现代设计理论与方法[7]

顺应现代机械产品的发展趋势,机械设计方法也由原来传统的理论设计、经验设计、试验模型设计等方法向现代化的设计方法转变。

从设计过程来看有：方案设计或初步设计;施工设计;工艺设计。

从设计内容来看有：概念设计或方案设计;结构设计;机构设计;几何参数设计;工艺参数设计;造型设计;传动设计;基础设计;摩擦学设计;运动学设计;动力学设计;强度设计;可靠性设计;试验设计;容差设计;工艺设计;控制系统设计;状态监控系统设计;诊断系统设计。

从设计方法来看有：优化设计;智能设计;虚拟设计;可视化设计;网络设计;并行设计;协同设计;相似性设计;数字化设计;反求设计;快速反应设计;集成设计;柔性设计;融合设计;模块化设计;模糊设计;CAD;三次设计。

从设计思想与观点来看有：绿色设计;创新设计;稳健设计;基于质量展开的设计(QFD);基于系统工程的设计;基于价值工程展开的设计等。

3 起重机现代设计方法

3.1 优化设计

起重机械优化设计一般是非线性规划问题,实质上是多元非线性函数的极小化问题。优化设计的首要问题是目标函数、设计变量、约束条件的选取,即数学模型的建立。现以门式起重机门架的设计为例来说明其设计思路。

首先确定目标函数G(x),如门架的重量。然后确定设计变量xi(i=1,2,…,n),即决定或对目标函数有较大影响的各个参数,如主梁、支腿、端梁、横梁的重量。根据设计变量所受的各种限制确定约束条件,包括等式约束和不等式约束,如跨中最大正应力、跨中腹板最大剪应力等等(由于篇幅的限制不一一列出)。建立目标函数G(x)与设计变量在x约束条件下的数学表达式,即目标函数G(x)=G(x1,x2,…,xn),设计过程就是求目标函数的最小值。最后用各种优化方法如一维搜索法、梯度法、牛顿法、惩罚函数法、共轭梯度法等确定设计变量如组成门架的各个部件的结构、尺寸等的最优值,完成最优设计。

3.2 模块化设计

模块化设计有两层含义,即在考虑机械的功能和构成的基础上,同时实现产品的互换性和模块间接口的标准化。因此在进行模块化设计时,不但要使模块满足设计功能方面的要求,而且要使模块间能够自由连接和组合,这样才能发挥模块化的优势,高效完成设计任务。起重机模块化设计的基本思路：将起重机进行功能和结构分析,然后根据分析结果,划分并建立具有独立专有功能的模块,对模块进行技术设计;最后根据设计要求组合模块,得到我们所需功能的起重机。模块化产品的特征就是从功能元素到物理组成的一一对应[7]。起重机采用模块化设计后,不但可以使其质量得到保障,而且还可以大大缩短设计周期和生产周期,增强市场竞争力,还可以实现起重机械零部件的成批生产,从而很大程度的降低生产成本和设计成本,实现其经济价值。

3.3 可靠性设计[8]

可靠性设计是指在规定的时间内,规定的条件下,以概率论和数理统计为基础,以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据,以完成产品规定功能为目标的现代设计方法。

起重机械可靠性设计的基本思路为：将引起起重机零部件失效的所有因素统称为应力S,则S可表示为各种失效因素si(i=1,2,…,n)的函数,S=f(s1,s2,…,sn)。将起重机抵抗各种失效的因素称为强度R,则R可表示为各种影响强度的因素ri(i=1,2,…,n)的函数,R=g(r1,r2,…,rn)。应力S和强度R都是随机变量,起重机各个零件安全与否,是以R＞S所发生的概率来表示的,即R(t)=P(R＞S)≥[R]。其中,R(t)为各零部件在运行中的安全概率,即可靠度,它是指零部件在工作时间t内的一种能力;[R]为零件的许用可靠度,它表示零件在规定的时间内和规定的条件下实现设计要求的一种能力,即许用安全概率。产品的可靠性是其安全性、可维修性及寿命的重要保证,因此,可靠性设计也越来越成为起重机设计方法的重要组成部分。

3.4 有限元法设计

有限元法就是将一个形状复杂的连续体的求解域,分解为有限个简单的子区域,即将一个连续体简化为有限个单元组成的等效组合体,通过连续体的离散化,把求解连续体的场变量问题,简化为有限单元节点上的场变量,求解系列代数方程组,得到近似的数值解。有限元法设计大致可分为四步：1)结构离散;2)单元分析;3)整体分析;4)数值求解。这种方法具有很大的灵活性,只要改变划分单元的数目,就可以改变解的精确度,得到与真实情况无限接近的结果,为我们的设计提供更确凿的依据。在实际的工程应用中,有限元法常与大型计算机编程或有限元分析软件相结合,当前大型商用程序如ANSYS,SAP,ADINA,NASTRAN,MARC,ABAQUS,ADAMS,I-DEAS等。基于ANSYS的有限元分析流程如图1所示。

3.5 动态设计

动态设计是应用动力学的设计方法,特别是应用非线性动力学的设计方法,选择机械设备较优的结构,较优的动力学参数和动力学状态,以达到设备最优的工作状态。这样可以在较大范围内考虑其工作过程中非线性因素的影响,使振动超标等有关动力学问题在机器运转过程中得以消除。起重机械如大型门机,其钢结构重量占整机重量的60%以上,而且其钢结构承受复杂耦合的机械运动,对系统将产生强烈的冲击和振动,钢结构长期在这种振动的影响下会导致金属结构的疲劳破坏,同时,设备在工作时所产生的振动与噪声,会损坏操作者的身心健康,这也是一个致力解决的工程问题[2]。因而,要考虑设备的动态安全及人机工程,这都是动态设计要解决的问题。

3.6 CAD

CAD是由计算机完成产品设计中的计算、分析、模拟、制图编制技术文件等工作,但这项技术又不是传统设计方法的简单影象,也不是局限在个别步骤或环节中部分的使用计算机作为工具,而是将计算机科学和工程领域的专业技术以及人的智慧经验以现代的科学方法相结合,尽可能地依靠计算机完成重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作,辅助而非代替技术人员完成整个设计过程,以获得最佳结果[5]。

3.7 智能化设计

智能设计有两种不同的含义：1)用智能方法进行设计;2)对设计的对象实现智能化,而现行的智能设计也偏重于对产品的性能参数及其工作过程进行智能控制与优化[7]。对于起重机械,智能设计会在较大程度上提高产品的性能和质量,并提升产品在市场上的竞争力,进而给产品带来经济效益和社会效益。

4 结语

起重机械的设计方法还有很多,如标准化设计、参数化设计、绿色设计、协同设计等。而这些设计方法都是围绕产品质量来完成的,因为起重机械的质量才是各个方面综合的体现。在设计过程中把以上各种方法都用上也是不现实的,所以,在我们实际的设计过程中,可以将两种、三种或三种以上的多种方法结合起来,尽量多地考虑设计变量,以达到预期的设计效果。发展综合设计方法,从理念和技术上寻求产品与设计的最好结合点,使我们实际的产品朝着具有过硬质量的现代化方向发展。

[1]乔慧丽.门式起重机三位参数化及模块化设计[D].武汉：武汉科技大学,2005.

[2]张晓丽,李德建,张 雄,等.门式起重机静动力特性分析[J].重庆工学院学报,2006(5)：29-32.

[3]黄大巍,李 风,毛文杰,等.现代起重运输机械[M].北京：化学工业出版社,2006.

[4]徐新辉.基于Ansys分析的龙门起重机箱型主梁优化设计[D].武汉：武汉理工大学,2005.

[5]刘志云,缪建华,程秋平,等.CAD技术在我国起重机械中的应用与展望[J].起重运输机械,2006(3)：1-5.

[6]杨利花,杨世强.现代设计方法及其发展趋势[J].甘肃科学学报,2004,16(2)：111-114.

[7]闻邦椿,韩清凯.产品设计的重要性与面相产品总体质量的综合设计法[J].科技和产业,2003,3(11)：12-23.

[8]胡晓波.机械设计技术的发展现状与趋势[J].轻工机械,2005(3)：4-7.