轨道承重式液压爬升系统的优化设计-.pdf

第 9卷第 1 期 2 0 1 1年 3月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R NA L OF C DNs T R U C T 1 0 N MA C HI N E R Y Vo l _ 9 No． 1 Ma r ．2 01 1 轨道承重式液压爬 升 系统 的优化设计 乐韵 斐， 张苗 ， 钱根 同济大学 机械工程学院 ， 上海2 0 1 8 0 4 摘要 分析了轨道承重式液压爬升系统的工作原理， 该系统由爬升器主体和轨道系统组成， 工作时， 爬升器沿轨 道升降重物， 轨道通过卡子连接到辅助塔架上． 当爬升高度较大时， 轨道系统的质量和稳定性是设计的关键点． 以轨道的截面积最小为优化 目标 ， 以轨道截面的参数为变量， 建立数学模型， 利用有限元软件计算出较优的轨道 截面参数和卡子间距． 最后， 还分析了塔架的尺寸和缆风绳的初张力对轨道系统稳定性的影响． 关键词 爬升器 ； 轨 道承重式 ； 优化 ； 有 限元 中图分类号 T H 1 1 3 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 1 0 1 0 0 8 20 5 Op t i m i z a t i o n d e s i g n f o r ■● 1 ● Cl l m b1 ng t r ac k- l oa d e d hyd r aul i c s ys t em s L E Y u n - f e i ， Z H AN G Mi a o ，Q I A N G e n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T o n i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ，C h n i a Ab s t r a c t I n t h i s s t u d y ， t h e wo r k i n g p r i n c i p l e s o f o r b i t l o a d e d h y d r a u l i c c l i mb i n g s y s t e ms ， c o mp r i s e s t h e c l i mb i n g c o mp o n e n t a n d t r a c k s y s t e m， a r e f i r s t a n a l y z e d ． Du r i n g wo r k i n g p r o c e s s ， t h e h e a v y c o mmo d i t i e s a r e h o i s t e d a l o n g t h e t r a c k ， wh e r e t h e t r a c k i s l i n k e d t o t h e a u x i l i a r y t o we r f r a me v i a b a n d s ． I n c a s e o f b i g c l i mb i n g h e i g h t s ， t h e ma s s a n d s t a b i l i t y o f t r a c k s y s t e ms a r e r e g a r d e d a s t h e d e s i g n c r i t e r i a ． By mi n i mi z i n g t h e t r a c k s e c t i o n a s a n o p t i mi z a t i o n o b j e c t i v e ， a ma t h e ma t i c a l mo d e l i s t h e n e s tab l i s h e d u s i n g t r a c k s e c t i o n a l p a r a me t e r s a s v a r i a b l e s ．Ne x t ， t h e p r e f e r r e d p a r a me t e r s o f t r a c k s e c t i o n s p a r a me t e r s a n d d i s tan c e s b e t we e n b a n d s a r e c a l c u l a t e d b a se d o n t h e f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e ． Fi n a l l y， t h e i mp a c t s o f t o we r f r a me d i me n s i o n a n d i n i t i a l c a b l e t e n s i o n a r e a n a l y z e d u p o n t r a c k s tab i l i t y ． Ke y wo r d s c l i mb i n g d e v i c e ；t r a c k l o a d e d ；o p t i mi z a t i o n；f i n i t e e l e me n t 随着大型构件的安装和维修作业 日益增多， 液压提升和液压滑移装置得到迅速发展， 国内相关产品有 钢绞线式提升系统 、 链板式顶升系统 、 液压滑移系统等Ⅲ ， 其技术趋于成熟 ． 本文设计的轨道承重式液压爬 升系统采用了1 种承载轨道和辅助塔架的组合设计， 对比相同承载能力的塔架起重系统， 降低了系统的重 量 ， 节约了成本 ． 1 轨道承重式液压爬 升 系统 工作原理 轨道承重式液压爬升系统主要包括顶升液压缸、 上下插销机构 、 承重轨道、 辅助塔架、 轨道踏板和卡子 等 ， 如图 1 所示 ． 顶升液压缸的 2端分别铰接在上下插销机构上 ， 上下插销机构卡在承重轨道上 ， 承重轨道 上每隔一定间距设有踏板， 工作 时， 通过插销与踏板 的相互作用承受载荷 ． 承重轨道通过卡子连接到辅助 塔架上 ， 以保证轨道 的稳定性 ． 辅助塔不受垂直方向的载荷 ， 设计为方形塔架 ， 结构较为轻巧． 作者简介乐韵斐 1 9 6 4 一 ， 女 ， 副教授 ， 工学博士 ． E ． ma i l l e y u n f e i t o n g j i ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 乐韵斐 ， 等 轨道承重式液压爬 升系统的优化设计 轨道承重式液压爬升系统是通过顶升液压缸 的同 步伸缩和插销 的插拔实现重物的步进式升 降， 工作过 程如图 2所示 ． 图中 H 为过程 1 ， 5的顶升高度 ； Hz 为 过程 3 ， 7的顶升高度． 在 实际应用 中， 可 以根据需要 ， 组合 2个或多个轨道承载式液压爬 行系统 同时使用 ， 该系统的辅助塔架也可 根据现场条件 ， 改为 固定墙或 则固定立柱等 ， 使用前必须验证其稳定性． 2 轨道优化设计 典型的轨道截面有实心方形 、 箱形和 H形． 由于 H 形轨道 的抗弯模量较大 ， 易于布置踏板 ， 制造工艺相对 简单 ， 因此拟采用 H形轨道． 轨道截面参数直接影响轨 道的重量、 承 载能力 和成本 ， 需对 H形轨道进行 优化 设计． 2 ． 1 优化设计模型 H形轨道优化设计的数学模型 由目标函数 ， 强度 、 稳定性约束条件l 2 ] ， 厚度约束条件 3大部分组成 ． 上插 销机 构 顶升液压缸 下插销机构 图 1 轨道承重式液压爬升 系统模型 Fi g． 1 Mo d e l o f t h e o r b i t - l o a de d h y d r a u l i c c l i m b i ng s y s t e m 顶升液压伸缸 插销缸将 项升液压伸缸 插销 缸将 顶升液压缸缩缸 插销缸将 升液压缸缩缸 插销缸将 下插销与踏板作用 上插销拔出 将 上插销顶 升 上插 销插 入 上插销与踏板作用 下插销拔 出 下插销提起 下插销插入 上插 销顶升 下插 销提起 图 2 轨道承重式液压爬升 系统的工作过程 图 Fi g ． 2 W o r k i n g p r o c e s s o f t h e o r b i t - l o ad ed h y d r a ul i c c l i mb i ng s y s t e m H形轨道截面示意图如图 3所示． 在满足轨道强度 和稳定性 的条件下 ， 以轨道截 面积最小为最优 目 标， 建立 目标函数 S _， 。 t 1 ， t 2 ， h， b 2 b t 1h t 2 1 式 中S为轨道截面面积 ； t ， t ， h， b为 H形轨道的截面尺寸， 如 图 3所 示 ． 强度、 稳定性控 制条 件 截面尺 寸必须满足强度 、 稳定性 的要 求 ， 而且使构件截面的应力小于并尽量等于材料的设计强度 ． 轨道底端处的应力为 十Ll叼 2 十 L z J 式中 F w为工作载荷 ；L为轨道长度 ； lD为轨道密度； g为重力加速 ， l一 一 I Z 2 ， f 图 3 轨道截面参数 Fi g ． 3 Or b i t a l s e c t i o n p a r a me t e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 度 ， g 9 ． 8 m s ～． 载荷因子为 F 7 c E 。 FN FN 肚 式 中 F 为临界载荷 ； E为弹性模量 ； I 为轨道惯性矩 ； 为长度因数 ． b h一2t 1 。一 b t 2 h。 一 一 ， 2 t l b 。 t 2 一 一 3 4 5 式中 ， 是 H型截面对 ， Y轴的惯性矩 ． 厚度约束条件 由于钢板的焊接条件和钢板 的局部强度的限制 ， 钢板的厚度的约束条件为 f m irI ≤ ≤ 一 6 l 2 ≤ t 2 ≤ t 2 由上可得轨道优化的数学模型为 rai n ．厂 t 1 ， ￡ 2 ， h， 6 2 b t 1 ￡ 2 ≥ M 鲁 7 ￡ 1 ≤ t l ≤ t l t 2 m m≤ t 2 ≤ 2 2 ． 2 优化结果分析 轨道的材料选用 Q 3 4 5 ， 屈服应力 。 2 9 5 MP a ， 轨道的强度安全因数取为 2 ， 稳定安全因数一般高于 强度安全因数 ， 取为 4 ． 5 ． 以 6 iT I 长的轨道为例 ， 优化结果如表 1所示 ． 表 1 优化 前后截面 尺寸对 比 Fi g ． 1 Co mp a r i s o n o f c r o s s s e c t i o n b e f o r e a n d a f t e r o p t i mi z a t i o n 从表中可以看出， 在满足轨道强度和稳定性的条件下， 轨道的横截面积明显减小， 经计算 ， 轨道质量减 小 了 1 9 ． 6 ％ ． 3 轨道系统的稳定性分析 轨道系统的稳定性的影响因素主要包括轨道 的截面参数 、 卡子间距 、 塔架尺寸和缆风绳 的初张力等． 以优化后的轨道截面参数建模 ， 通过有限元软件分析 ， 得到卡子间距与轨道载荷因子的关系， 如图 4所示． 其中载荷因子等于临界载荷与工作载荷的 比值 ， 在实 际应用 中， 可根据轨道稳定性条件选择合理 的卡子 间距 ． 本节主要在确定轨道截面参数和卡子间距的条件下 ， 探讨塔架尺寸和缆风绳的初张力对轨道系统稳 定性 的影响． 3 ． 1 轨道 系统的模型 轨道系统由 H形轨道、 塔架和缆风绳组成， 其中塔架 由4根塔柱、 横杆和斜杆构成 ． 轨道截面为 H形， 材 料为 Q 3 4 5 ． 塔柱使用格构式钢柱 ， 选用正方环形截面， 截面尺寸为 2 0 0 mm2 0 0 1T l I n8 1 T l I n X 8 mm， 材料为 Q 2 3 5 ； 横杆与斜杆的截面尺寸为 6 0 f i l m6 0 i D x n x 4 mm4 I T I I I I ， 材料为 Q 5 ， 塔架尺寸参数为 LL． 在实 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 乐韵斐， 等 轨道承重式液压爬升系统的优化设计 际应用中， 缆风绳与地面的夹角值越小 ， 塔架系统的稳定性越高 ， 但随着夹角的变小， 缆风绳对塔架产生的垂 直应力增大 ， 缆风绳的长度也会变长．本模型选择缆风绳与地面的夹角为 5 0 。 ， 截面为 3 2 mm． 建立轨道系 统的有限元模型如图 5 所示 ． 图 4 卡子 间距与载 荷因子关系图 Fi g ． 4 Re l a t i o ns hi p c ha r t o f b a n d s ’ s p a c i ng a n d l o a d f a c t o r 图 5 轨道系统的有限元模型 Fi g． 5 Fi n i t e e l e m e n t m o de l o f t h e r a i l s y s t e m 3 ． 2 载荷分析 轨道主要承受恒荷载、 自重和风荷载的作用 ， 其中恒荷载包括重物和起 重横梁 的重量 ． 塔架 的作用只 是 防止轨道失稳 ， 主要承受 自重和风荷载的作用． 以 6级及 6级 以下风 为例计算风 荷载[ 3 ] ， 规定在 6级风 速以上的环境下禁止爬升器工作． 3 ． 3 分析结果 使用 A NS Y S I O ． 0软件分析轨道系统 的稳定性 ， 轨道系统为梁 一索 一桁架混合结构 ， 属于高度非线性 的空间结构 ． 计算时考虑几何非线性 的影响 ， 采用修正的 N e wt o n R a p h s o n法求解非线性方程组 ， 在求解 的过程 中不断修正结构体系的总刚度矩阵[ ] 最终获得精确的计算结果如图 6 ， 7所示 ． 籁 困 剞 稍 图 6 缆风绳的初张力与轨道系统的 稳定性安全因数关 系图 图 7 塔架 的尺寸与轨 道系统的 稳定性安全因数关系图 Fi g ． 6 Re l a t i o ns hi p c ha r t o f i n i t i a l t e ns i o n a n d Fi g ． 7 Re l a t i o n s h i p c h a r t o f t o we r’ S s i z e a n d s t a b i l i t y s a f e t y c o e f fic i e n t s t a b i l i t y s a f e t y c o e f fic i e n t 根据分析结果可 以看到， 随着缆风绳初张力或塔架尺寸 的增大 ， 轨道系统 的稳定性都会 随之提高， 但 较大的缆风绳初张力会增大塔柱的局部应力 ， 同时也会导致缆风绳上出现较大的张力 ， 故在选取缆风绳初 张拉力时 ， 必须验算缆风绳在工作时的张力 ， 以保证其小于缆风绳的承受极 限． 较大的塔架尺寸会增加轨 道系统的重量 ， 因此在设计塔架尺寸时 ， 应在满足稳定性的条件下 ， 尽量选择较小的塔架尺寸． 4 4 3 3 2 2 1 1 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 4 算例分析 以工作载荷 1 9 ． 6 MN荷载为力的单位 k N， 起重高度 1 0 0 m为例， 组合 4个爬升器 同时工作． 首先在 满足轨道稳定性和强度的前提下 ， 运用有 限元软件优化轨道截面参数 ， 如表 1所示 ， 轨道 的翼缘板厚 为 5 0 mm、 腹板厚为 5 2 mm、 腹板宽为 1 9 0 mm、 翼缘板宽为 2 8 0 mm． 设计轨道的局部载荷因子为 4 ． 5 ， 从 图4 中可查出卡间距为 6 m． 设计轨道系统的稳定性安全因数为 3 ． 5 ， 则从 图 6 ， 7中可查 出缆风绳初 张力 为 5 0 k N， 塔架尺寸为 2 ． 2 m2 ． 2 m， 经计算该轨道系统 的总质量为 1 7 5 t ． 对 比塔架起重系统[ 5 ] ， 而在相 同 的稳定性安全系数和起重高度条件下， 塔架起重系统 的总质量为 1 8 1 t ， 起重载荷为 1 4 ． 7 k N [ 3 ] ， 因此轨道 承重式液压爬升系统的起重能力提高了 2 5 ％ ． 5 结语 轨道承重式液压爬升系统是集机械结构 、 液压系统和控制系统于一体 的系统 ， 在实际应用中必须有稳 定的液压系统和 良好的控制性能做保障． 在结构设计 中， 轨道系统的优化和稳定性分析尤其 重要 ， 本文运 用有限元软件 的优化功能得出较为合理的轨道参数 ， 并分析了影响轨道系统稳定性的关键因素． 轨道承重 式液压爬升系统的最大优点在于其轨道系统的创新设计 ， 轨道系统 由承重轨道和辅助塔架组成 ， 工作载荷 由H形轨道传至基础， 塔架只是防止轨道受压失稳， 本身不受垂直载荷的作用， 因此塔架较为轻巧， 由算 例分析可知 ， 对比塔架起重系统 ， 轨道系统的承载能力提高 了， 也就是说， 相同承载能力 的条件下 ， 轨道系 统的质量减小 ， 节约成本． 参考文献 [ 1 ] 桑军 ． 塔式起重机内爬式液压顶升机构 [ J ] ． 机械工程师 ， 2 0 0 8 2 1 4 91 5 0 ． S H A NG J u n ． H y d r a u l i c j a c k u p i n s t i t u t i o n s c r a wl i n g i n t o we r c r a n e [ J ] ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r ， 2 0 0 8 2 1 4 91 5 0 ． [ 2 ] 田丰果， 寇桂岳， 熊巍． 基于S o l i d Wo r k s的车辆变截面高速轴优化设计[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 5 5 8 0 8 1 ． TI AN Fe n gg u o， KOU Gu a n y u e， XI ONG We i ． op t i mi z a t i o n d e s i g n o f v e h i c l e v a r i a b l e c r o s s - s e c t i o n h i g h - s p e e d a x i s b a s e d o n s o l i d wo r k s l- J ] ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r ， 2 0 0 5 5 8 08 1 ． [ 3 ] 乐韵斐 ， 郭军 ， 施俊俊． 大型门式起重塔架的稳定性分析 [ J ] ． 机械工程与 自动化 ， 2 0 0 9 1 5 1 5 3 ． L EY u n f e i ， G UO J u n ， S H I J u u n ． S ta b i l i t y a n a l y s i s o f l a r g e s c a l e g a n t r y f r a me wo r k [ J ] ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g A u t o ma t i o n ， 2 0 0 9 1 515 3． [ 4 ] 张秀华 ， 王秋萍 ． 钢结构设计原理 [ M] ． 北京 北京科学 院出版社 ， 2 0 0 9 ． Z H A N G X i u h u a ， WA NG Q i u p i n g ． S t e e l s t r u c t u r e d e s i g n p r i n c i p l e [ M] ． B e i j i n g B e ij i n g Ac a d e my o f S c i e n c e s P r e s s ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 康 国政 ， 张娟 ． 大型有限元程 序的原理 、 结构与使用[ M] ． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 7 ． K A N G G u o z h e n g 。 Z H A N G J u a n ． T h e p r i n c i p l e ， s t r u c t u r e a n d u s a g e o f l a r g e f i n i t e e l e me n t p r o g r a m[ M] ． B e i j in g P o s t＆ Te le c o m Pre ss， 2 0 0 7． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m