Ahogy az urbanizáció felgyorsul, és a sokemeletes épületek száma folyamatosan növekszik, a felvonók, mint a függőleges közlekedés alapvető berendezései, egyre szélesebb körű alkalmazást találnak. Az iparági statisztikák szerint országomban közel 1000 felvonógyártó működik, és a piaci verseny erősödik. A költségek csökkentése és a hatékonyság növelése a termékoptimalizálással az iparág kulcskérdésévé vált. A vontatási felvonók, mint a fő felvonótípusok, egy évszázados fejlesztés után érlelték ki támogató technológiájukat. Szerkezetük nyolc fő rendszerből áll: a vontatási rendszerből, az autórendszerből és a vezetőrendszerből. A fülkerendszer közvetlenül viseli a terhelést, míg a kocsiváz, mint a kocsi szerkezeti váza olyan kialakítású, amely közvetlenül befolyásolja a felvonó biztonsági teljesítményét és gyártási költségét. A túlzott autóváz tömeg anyagpazarláshoz és redundáns tervezéshez vezethet; míg a túl könnyű súly nem felel meg a terhelési követelményeknek, ami biztonsági kockázatot jelent.
Optimalizációs kutatást végeztünk a vonófelvonó kocsivázszerkezetére vonatkozóan, numerikus szimulációs szoftverrel a váz statikai és dinamikájának elemzésére. Ez a megközelítés lehetővé teszi, hogy könnyű kialakítást érjünk el, miközben biztosítják a szerkezeti biztonságot, praktikus megoldást nyújtva a vállalkozások gazdasági hatékonyságának javítására.
1. Felvonókocsiváz-mechanikai elemzés: Az optimalizáló tervezés alapja
A tudományos és megbízható optimalizálási megoldás biztosítása érdekében a kutatócsoport először professzionális numerikus szimulációs szoftverrel átfogó elemzést végzett a felvonófülke vázának mechanikai tulajdonságairól különböző üzemi körülmények között, adattámogatást nyújtva a későbbi könnyűszerkezetes tervezéshez.
1.1 Statikus elemzés: Stresszteljesítmény névleges és túlterhelési körülmények között
A statikus elemzés a normál felvonóüzem névleges üzemi körülményeire és extrém túlterhelési körülményeire összpontosított. Alapvető célja az autóváz feszültségeloszlásának és elmozdulásának szimulálása volt egy pontos szerkezeti modell felállításával. A kutatás során a csapat először egy 3D-s szerkezeti modellt készített az autóvázról SolidWorks szoftverrel, majd a modellt x_t formátumban importálta az Abaqus elemzőszoftverbe. Tekintettel az autóváz összetett szerkezetére, a számítások egyszerűsítése és az elemzési pontosság megőrzése érdekében elhagyták az olyan apró részleteket, mint a csatlakozások, hegesztések, csavarok és letörések. A fő szerkezetet ezután héjává alakították, és az olyan alkatrészeket, mint a visszatérő tárcsa, a biztonsági bilincs és a vezetősaru merev testté egyszerűsítették. A paraméterbeállítások a tényleges felvonó működési szabványok alapján történtek, a vontatómotor teljesítménye 11,7 kW, az autó tömege 1100 kg, a névleges sebessége 1,75 m/s, a névleges terhelése 1050 kg és az emelési magassága 82,5 m. A modellre vízszintes kényszereket alkalmaztak, hogy szimulálják a tényleges súlyt, az autó nyomását és az autó vázára nehezedő terhelési nyomást. A hálózáshoz S4R elemeket használtak, 10 mm-es hálómérettel, ami 590 350 csomópontot és 431 287 elemet eredményezett, biztosítva a modell pontosságát.
Az elemzési eredmények azt mutatják, hogy névleges üzemi körülmények között a maximális feszültség az autó vázában 138,9 MPa, ami messze elmarad az anyag folyási feszültségétől. A maximális feszültség a rezgéscsillapító gumi és az autóváz oldalsó gerendái közötti érintkezésnél jelentkezik, ami az érintkezési összenyomás miatt helyi feszültségkoncentrációt eredményez. Ez a koncentrált terület azonban csak két hálóelemet fed le, és minimális hatással van az autóváz általános igénybevételére. A számítások azt mutatják, hogy az anyag folyáshatárának a 1,5-szeres biztonsági tényezőhöz viszonyított aránya 156,7 MPa (235 MPa/1,5), a maximális 138,9 MPa feszültség pedig megfelel a biztonsági követelményeknek.
125%-os túlterhelés mellett a maximális feszültség az autó vázában 296,2 MPa-ra emelkedik, ami ismét a rezgéscsillapító gumi és az autóváz oldalsó gerendái közötti érintkezési ponton összpontosul. A feszültségkoncentráció területe négy rácscellára bővül, de a szerkezeti feszültségre gyakorolt hatása továbbra is korlátozott. A feszültségkoncentrációs területen kívül a fennmaradó területeken a maximális feszültség 166,4 MPa. Bár alacsonyabb, mint az anyag folyáshatára, elmarad a 1,5-szeres biztonsági tényező követelményétől. Ezenkívül az autó vázának maximális kumulatív elmozdulása 9,5 mm, ami szükségessé teszi a hosszú távú túlterhelés elkerülését a tényleges használat során.
1.2 Dinamikus elemzés: A szerkezeti biztonság ellenőrzése extrém működési körülmények között
A dinamikus elemzés a szélsőséges kockázati körülményekre összpontosít a felvonók működése során,{0}}a kocsi süllyedése és a vészfékezés során. Ilyen körülmények között az autóváz sebessége és gyorsulása idővel dinamikusan változik. A tranziens dinamikus szimulációkat az Abaqus Explicit modul segítségével hajtjuk végre. A kezdeti sebesség az ütköző és a kocsiváz közötti érintkezési sebesség, és a működés közbeni tényleges sebességváltozás amplitúdója a szerkezet dinamikus feszültségreakciójának szimulálására szolgál.
A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy amikor az autó leereszkedik, nagy feszültségkoncentrációk lépnek fel az ütköző és az autóváz érintkezési pontján, és egyes alkatrészek plasztikus deformáción mennek keresztül a túlzott igénybevétel miatt. A mélyedés után 0,084 másodperccel a maximális feszültség az ütközési pontban eléri a 248,2 MPa-t. Noha ez nem haladja meg az anyag 400 MPa-os szilárdsági határát, és megakadályozza az általános szerkezeti meghibásodást, az autó váza elveszíti normál működési képességét. Ezért az átfogó biztonsági védelmi rendszerek elengedhetetlenek a felvonók tervezése és üzemeltetése során, hogy megakadályozzák a kocsi mélypontját. Vészfékezési körülmények között az autó vázának maximális feszültségértéke 229,1 MPa, ami alacsonyabb, mint az anyag folyási feszültsége, és a feszültséghatás tartománya kicsi, ami nem jelent veszélyt a szerkezeti biztonságra. Ez azt mutatja, hogy a felvonó vészfékező rendszere hatékonyan tudja biztosítani a kocsiváz szerkezetének stabilitását.
2. Az autóváz felső kereszttartójának optimalizálási kialakítása: Könnyű megoldás működés közben
A mechanikai elemzések eredményei alapján a kutatócsoport megállapította, hogy az autóváz általános feszültsége megfelelt a biztonsági követelményeknek, és jelentős biztonsági ráhagyással rendelkezik a normál működés során, ami a könnyű súly optimalizálásának lehetőségét jelzi. Az egyes komponensek feszültségeloszlásának további elemzése a felső kereszttartót jelölte meg a mag optimalizálásának célpontjaként,{1}}a feszültségértékei különböző működési körülmények között jóval az anyaghatár alatt voltak, ami a legnagyobb optimalizálási potenciált jelzi.
2.1 Optimalizációs változók és módszerek meghatározása
Figyelembe véve az autóváz általános szerkezeti elrendezésének stabilitását, úgy döntöttünk, hogy nem változtatjuk meg a legfontosabb méreteket, például a hosszt, a hajlítási magasságot és a felső kereszttartó teljes magasságát. Kizárólag a felső kereszttartó vastagságára összpontosítottunk, mint egyedüli optimalizálási változóra, hogy elkerüljük a szerkezeti kiigazítások miatti egyéb alkatrészek feszültségegyensúlyának befolyásolását. Az optimalizálási módszer „lépésről{2}}-csökkentést” alkalmazott, kezdve az eredeti 6 mm-es vastagsággal, majd a vastagságot egyszerre 0,5 mm-rel csökkentve. Többszörös szimulációs elemzéssel ellenőriztük a változó vastagságú felső kereszttartó feszültségi teljesítményét és biztonsági állapotát, végül kiválasztva az optimális megoldást.
2.2 A teljesítmény és a minőség összehasonlítása az optimalizálás előtt és után
Többszöri szimulációs ellenőrzés megerősítette, hogy a felső kereszttartó vastagságának 6 mm-ről 4 mm-re történő csökkentésével optimális egyensúlyt sikerült elérni a szerkezeti teljesítmény és a könnyű súly között. Feszültségteljesítmény szempontjából a felső kereszttartó maximális feszültsége az optimalizálás előtt mindössze 17,08 MPa volt, jóval az anyag folyáshatára alatt. Az optimalizálás után a maximális feszültség 139,5 MPa-ra nőtt, ami még mindig a 156,7 MPa biztonsági küszöb alatt van, ami megfelel az 1,5-szörös biztonsági tényező követelményének, és stabil és megbízható mechanikai tulajdonságokat mutat.
A könnyű súlyozás és a költségszabályozás szempontjából az optimalizálás után egyetlen felső kereszttartó tömege 29,95 kg-ról 22,46 kg-ra csökkent, 7,49 kg-os súlycsökkenés gerendánként és 25%-os könnyítési fok. A felső keresztgerenda csökkentett tömege közvetve csökkenti az autóváz teljes terhelését{5}}, tovább optimalizálva az autó teljes rendszerének igénybevételi állapotát, és a "könnyű - kis terhelésű - nagyobb biztonság" jó ciklusát alkotja.
3. Kutatási következtetések és iparági érték
A vonófelvonó vázszerkezetének optimalizált kialakítására irányuló kutatás tudományos mechanikai elemzésen és precíz paraméter-optimalizáláson keresztül a következő kulcsfontosságú következtetéseket vonja le: Először is, a kocsivázban a maximális feszültség névleges üzemi körülmények között 138,9 MPa volt, és a maximális feszültség a nem koncentrált területeken túlterhelési körülmények között 166,4 MPa, mindkettő megfelelt az alapvető mechanikai követelményeknek. Másodszor, a szerkezet nem szenvedett általános károsodást az autó mélyedési és vészfékezési körülményei között, de továbbra is aggodalomra ad okot az autó alulállásának veszélye. Harmadszor, a felső keresztgerenda vastagságának 6 mm-ről 4 mm-re történő optimalizálásával a biztonsági teljesítmény megmaradt, miközben elérte a 25%-os könnyítési célt.
Iparági szempontból ez a kutatás praktikus költség--megtakarítást és hatékonyságot{1}}növelő megoldást kínál a felvonógyártók számára. A felső kereszttartó vastagságának csökkentésével a gyártók közvetlenül csökkenthetik az olyan nyersanyagok felhasználását, mint az acél, ezáltal csökkentve a gyártási költségeket. Ezenkívül a könnyű kocsiváz csökkenti az energiafogyasztást a lift működése közben, javítva a berendezés általános energiahatékonyságát. Ezen túlmenően a kutatásban használt "mechanikai elemzési - változó szűrés - lépésről-"-lépésre optimalizált" módszer egyben referenciaparadigmát is nyújt a felvonóipar egyéb szerkezeti elemeinek optimalizálásához, elősegítve az iparág átalakulását az "empirikus tervezésről" az "adatvezérelt tervezésre" és segítve. A felvonótermékek magasabb szintű egyensúlyt biztosítanak a biztonság és a gazdaságosság között.
