W miarę przyspieszania urbanizacji i ciągłego wzrostu liczby-wieżowców, windy, jako podstawowe wyposażenie transportu pionowego, znajdują coraz szersze zastosowanie. Według statystyk branżowych w moim kraju działa blisko 1000 producentów wind, a konkurencja na rynku nasila się. Redukcja kosztów i zwiększanie wydajności poprzez optymalizację produktów stało się kluczową kwestią dla branży. Windy trakcyjne, jako główny typ wind, po stu latach rozwoju rozwinęły technologię wspierającą. Ich konstrukcja składa się z ośmiu głównych układów: układu trakcyjnego, układu samochodowego i układu prowadzącego. System kabiny bezpośrednio przenosi obciążenie, natomiast rama kabiny, będąca ramą konstrukcyjną kabiny, ma konstrukcję, która bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo windy i koszty produkcji. Nadmierna masa ramy samochodu może prowadzić do marnowania materiału i zbędnego projektowania; zbyt lekki ciężar może nie spełniać wymagań dotyczących obciążenia, stwarzając zagrożenie dla bezpieczeństwa.
Przeprowadziliśmy badania optymalizacyjne konstrukcji ramy wagonu windy trakcyjnej, wykorzystując oprogramowanie symulacyjne numeryczne do analizy statyki i dynamiki ramy. Takie podejście pozwala nam uzyskać lekką konstrukcję przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa konstrukcji, zapewniając praktyczne rozwiązanie poprawiające efektywność ekonomiczną przedsiębiorstw.
1. Analiza mechaniczna ramy windy: podstawy projektowania optymalizacyjnego
Aby zapewnić naukowe i niezawodne rozwiązanie optymalizacyjne, zespół badawczy najpierw wykorzystał profesjonalne oprogramowanie do symulacji numerycznej w celu przeprowadzenia kompleksowej analizy właściwości mechanicznych ramy kabiny windy w różnych warunkach pracy, zapewniając wsparcie danych dla późniejszej lekkiej konstrukcji.
1.1 Analiza statyczna: Wydajność naprężenia w warunkach znamionowych i przeciążeniowych
Analiza statyczna skupiała się na znamionowych warunkach pracy i warunkach skrajnego przeciążenia podczas normalnej pracy windy. Jego głównym celem była symulacja rozkładu naprężeń i przemieszczenia ramy samochodu poprzez ustalenie precyzyjnego modelu konstrukcyjnego. Podczas badań zespół najpierw skonstruował trójwymiarowy model konstrukcyjny ramy samochodu za pomocą oprogramowania SolidWorks, a następnie zaimportował model do oprogramowania analitycznego Abaqus w formacie x_t. Biorąc pod uwagę złożoną konstrukcję ramy samochodu, aby uprościć obliczenia i zachować dokładność analiz, pominięto drobne szczegóły, takie jak połączenia, spoiny, śruby i skosy. Następnie główną konstrukcję przekształcono w skorupę, a elementy takie jak koło pasowe powrotne, zacisk zabezpieczający i ślizgacz prowadzący uproszczono do sztywnych korpusów. Ustawienia parametrów przeprowadzono w oparciu o rzeczywiste standardy pracy windy o mocy silnika trakcyjnego 11,7 kW, masie wagonu 1100 kg, prędkości znamionowej 1,75 m/s, obciążeniu znamionowym 1050 kg i wysokości podnoszenia 82,5 m. Do modelu zastosowano wiązania poziome, aby symulować rzeczywistą masę, ciśnienie samochodu i ciśnienie obciążenia przenoszone przez ramę samochodu. Do tworzenia siatki wykorzystano elementy S4R o rozmiarze oczek 10 mm, co dało 590 350 węzłów i 431 287 elementów, co zapewniło dokładność modelu.
Wyniki analizy pokazują, że w znamionowych warunkach pracy maksymalne naprężenie w ramie samochodu wynosi 138,9 MPa, czyli znacznie poniżej granicy plastyczności materiału. Maksymalne naprężenie występuje na styku-gumy antywibracyjnej z belkami bocznymi ramy samochodu, co powoduje miejscową koncentrację naprężeń w wyniku ściskania styku. Jednak ten skoncentrowany obszar obejmuje tylko dwa elementy siatki i ma minimalny wpływ na ogólne naprężenia ramy samochodu. Z obliczeń wynika, że stosunek granicy plastyczności materiału do 1,5-krotnego współczynnika bezpieczeństwa wynosi 156,7 MPa (235 MPa/1,5), a maksymalne naprężenie wynoszące 138,9 MPa spełnia wymagania bezpieczeństwa.
W przypadku przeciążenia wynoszącego 125% maksymalne naprężenie w ramie samochodu wzrasta do 296,2 MPa i ponownie koncentruje się w punkcie styku gumy antywibracyjnej- z belkami bocznymi ramy samochodu. Obszar koncentracji naprężeń rozszerza się do czterech komórek siatki, ale jego wpływ na ogólne naprężenia konstrukcyjne jest nadal ograniczony. Poza obszarem koncentracji naprężeń maksymalne naprężenia w pozostałych obszarach wynoszą 166,4 MPa. Chociaż jest niższy niż granica plastyczności materiału, nie spełnia wymagań dotyczących 1,5-krotności współczynnika bezpieczeństwa. Co więcej, maksymalne łączne przemieszczenie ramy samochodu wynosi 9,5 mm, co wymaga unikania-długoterminowego przeciążenia w rzeczywistym użytkowaniu.
1.2 Analiza dynamiczna: weryfikacja bezpieczeństwa konstrukcji w ekstremalnych warunkach pracy
Analiza dynamiczna koncentruje się na warunkach skrajnego ryzyka podczas obsługi windy-opuszczania kabiny i hamowania awaryjnego. W tych warunkach prędkość i przyspieszenie ramy samochodu zmieniają się dynamicznie w czasie. Przejściowe symulacje dynamiczne przeprowadzane są przy użyciu modułu Abaqus Explicit. Prędkość początkowa to prędkość styku zderzaka z ramą samochodu, a amplituda rzeczywistej zmiany prędkości podczas pracy jest wprowadzana do symulacji odpowiedzi konstrukcji na naprężenia dynamiczne.
Wyniki symulacji pokazują, że w momencie opadania samochodu na styku zderzaka z ramą samochodu dochodzi do dużych koncentracji naprężeń, a niektóre elementy pod wpływem nadmiernych naprężeń ulegają odkształceniu plastycznemu. Po 0,084 sekundy od osiągnięcia najniższego poziomu maksymalne naprężenie w punkcie uderzenia osiąga 248,2 MPa. Chociaż nie przekracza to granicy wytrzymałości materiału wynoszącej 400 MPa i zapobiega ogólnym uszkodzeniom konstrukcyjnym, rama samochodu traci zdolność do normalnego działania. Dlatego też kompleksowe systemy ochrony bezpieczeństwa są niezbędne przy projektowaniu i działaniu dźwigów, aby zapobiec opadaniu kabiny. W warunkach hamowania awaryjnego maksymalna wartość naprężenia ramy samochodu wynosi 229,1 MPa i jest niższa od granicy plastyczności materiału, a zakres działania naprężeń jest niewielki, co nie będzie stwarzać zagrożenia dla bezpieczeństwa konstrukcji. Pokazuje to, że układ hamowania awaryjnego windy może skutecznie zapewnić stabilność konstrukcji ramy samochodu.
2. Projekt optymalizacji górnej belki poprzecznej ramy samochodu: lekkie rozwiązanie w działaniu
Na podstawie wyników analizy mechanicznej zespół badawczy stwierdził, że ogólne naprężenie ramy samochodu spełnia wymogi bezpieczeństwa i ma znaczne marginesy bezpieczeństwa podczas normalnej eksploatacji, co wskazuje na potencjał optymalizacji lekkości. Dalsza analiza rozkładu naprężeń każdego elementu pozwoliła zidentyfikować górną belkę poprzeczną jako główny cel optymalizacji-jej wartości naprężeń w różnych warunkach pracy były znacznie poniżej granicy materiałowej, co wskazywało na największy potencjał optymalizacji.
2.1 Wyznaczanie zmiennych i metod optymalizacji
Mając na uwadze stabilność ogólnego układu konstrukcyjnego ramy samochodu, nie zdecydowaliśmy się na zmianę kluczowych wymiarów, takich jak długość, wysokość gięcia i wysokość całkowita górnej trawersy. Skoncentrowaliśmy się wyłącznie na grubości górnej belki poprzecznej jako jedynej zmiennej optymalizacyjnej, aby uniknąć wpływu na równowagę naprężeń innych komponentów w wyniku dostosowań konstrukcyjnych. W metodzie optymalizacji zastosowano metodę „redukcji-krok po-kroku”, rozpoczynając od pierwotnej grubości 6 mm i zmniejszając ją jednorazowo o 0,5 mm. Poprzez wielokrotne analizy symulacyjne sprawdziliśmy wytrzymałość naprężeniową i stan bezpieczeństwa górnej belki poprzecznej o różnej grubości, ostatecznie wybierając optymalne rozwiązanie.
2.2 Porównanie wydajności i jakości przed i po optymalizacji
Wielokrotne rundy weryfikacji symulacyjnej potwierdziły, że zmniejszenie grubości górnej belki poprzecznej z 6 mm do 4 mm pozwoliło uzyskać optymalną równowagę pomiędzy wydajnością konstrukcyjną a lekkością. Jeśli chodzi o wytrzymałość na naprężenia, maksymalne naprężenie górnej belki poprzecznej przed optymalizacją wyniosło zaledwie 17,08 MPa, czyli znacznie poniżej granicy plastyczności materiału. Po optymalizacji maksymalne naprężenie wzrosło do 139,5 MPa, wciąż poniżej progu bezpieczeństwa wynoszącego 156,7 MPa, spełniając wymóg współczynnika bezpieczeństwa 1,5x i wykazując stabilne i niezawodne właściwości mechaniczne.
Jeśli chodzi o lekkość i kontrolę kosztów, po optymalizacji masę pojedynczej górnej belki poprzecznej zmniejszono z 29,95 kg do 22,46 kg, masę na każdą belkę zmniejszono o 7,49 kg, a stopień lekkości wyniósł 25%. Zredukowana masa górnej belki poprzecznej również pośrednio zmniejsza całkowite-obciążenie nośne ramy samochodu, dodatkowo optymalizując stan naprężeń całego układu samochodu, tworząc korzystny cykl „lekkiego - małego obciążenia - większego bezpieczeństwa”.
3. Wnioski z badań i wartość branżowa
Badania nad zoptymalizowanym projektem konstrukcji ramy kabiny windy trakcyjnej, poprzez naukową analizę mechaniczną i precyzyjną optymalizację parametrów, dały następujące kluczowe wnioski: po pierwsze, maksymalne naprężenie w ramie kabiny w znamionowych warunkach pracy wyniosło 138,9 MPa, a maksymalne naprężenie w-obszarach nieskoncentrowanych w warunkach przeciążenia wyniosło 166,4 MPa, przy czym oba spełniają podstawowe wymagania mechaniczne. Po drugie, konstrukcja nie uległa ogólnym uszkodzeniom w wyniku opadania samochodu na dno i hamowania awaryjnego, jednak ryzyko upadku samochodu na dno pozostaje problemem. Po trzecie, optymalizując grubość górnej belki poprzecznej z 6 mm do 4 mm, zachowano bezpieczeństwo, osiągając jednocześnie cel dotyczący zmniejszenia masy pojazdu o 25%.
Z perspektywy branży badanie to zapewnia producentom wind praktyczne rozwiązanie-oszczędne i zwiększające-wydajność. Zmniejszając grubość górnej belki poprzecznej, producenci mogą bezpośrednio zmniejszyć zużycie surowców takich jak stal, obniżając w ten sposób koszty produkcji. Ponadto lekka rama kabiny zmniejsza zużycie energii podczas pracy windy, poprawiając ogólną efektywność energetyczną sprzętu. Ponadto zastosowana w badaniu metoda „analizy mechanicznej - sprawdzania zmiennych - optymalizacji krokowej-po-kroku” zapewnia również paradygmat odniesienia dla zoptymalizowanego projektowania innych elementów konstrukcyjnych w branży dźwigowej, promując przejście branży od „projektu empirycznego” do „projektowania-opartego na danych” i pomagając produkty dźwigowe osiągają wyższy poziom równowagi pomiędzy bezpieczeństwem a ekonomią.
