Ker se urbanizacija pospešuje in število-visokih zgradb še naprej raste, se dvigala kot osnovna oprema za vertikalni transport vedno bolj uporabljajo. Po statističnih podatkih industrije je v moji državi skoraj 1000 proizvajalcev dvigal, konkurenca na trgu pa se krepi. Zmanjšanje stroškov in povečanje učinkovitosti z optimizacijo izdelkov je postalo ključno vprašanje za industrijo. Vlečna dvigala, kot glavni tip dvigal, so po stoletju razvoja dozorela podporna tehnologija. Njihovo strukturo sestavlja osem glavnih sistemov: vlečni sistem, avtomobilski sistem in vodilni sistem. Sistem kabine neposredno nosi obremenitev, medtem ko ima okvir kabine kot strukturno ogrodje kabine zasnovo, ki neposredno vpliva na varnost dvigala in stroške izdelave. Prekomerna masa okvirja avtomobila lahko povzroči materialne odpadke in odvečno zasnovo; medtem ko prelahka teža morda ne izpolnjuje zahtev glede obremenitve, kar predstavlja nevarnost za varnost.
Izvedli smo raziskavo optimizacije strukture okvirja kabine vlečnega dvigala z uporabo programske opreme za numerično simulacijo za analizo statike in dinamike okvirja. Ta pristop nam omogoča, da dosežemo lahko zasnovo, hkrati pa zagotavlja strukturno varnost, kar zagotavlja praktično rešitev za izboljšanje ekonomske učinkovitosti podjetij.
1. Mehanska analiza okvirja kabine dvigala: Osnova načrtovanja optimizacije
Da bi zagotovili znanstveno in zanesljivo optimizacijsko rešitev, je raziskovalna skupina najprej uporabila profesionalno programsko opremo za numerično simulacijo, da bi izvedla celovito analizo mehanskih lastnosti okvirja kabine dvigala v različnih pogojih delovanja, kar je zagotovilo podatkovno podporo za kasnejšo lahko zasnovo.
1.1 Statična analiza: odpornost na obremenitev pod nazivnimi in preobremenitvenimi pogoji
Statična analiza se je osredotočila na nazivne delovne pogoje in pogoje ekstremne preobremenitve normalnega delovanja dvigala. Njegov glavni cilj je bil simulirati porazdelitev napetosti in premik okvirja avtomobila z vzpostavitvijo natančnega konstrukcijskega modela. Med raziskavo je skupina najprej izdelala 3D strukturni model okvirja avtomobila z uporabo programske opreme SolidWorks in nato uvozila model v programsko opremo za analizo Abaqus v formatu x_t. Zaradi zapletene strukture okvirja avtomobila so za poenostavitev izračunov in ohranitev natančnosti analize izpustili majhne podrobnosti, kot so povezave, zvari, vijaki in robovi. Glavna konstrukcija je bila nato pretvorjena v lupino, komponente, kot so povratni kolut, varnostna objemka in vodilni čevelj, pa so bile poenostavljene v toga telesa. Nastavitve parametrov so temeljile na dejanskih standardih delovanja dvigal z močjo vlečnega motorja 11,7 kW, težo kabine 1100 kg, nazivno hitrostjo 1,75 m/s, nazivno obremenitvijo 1050 kg in višino dviga 82,5 m. Na modelu so bile uporabljene vodoravne omejitve za simulacijo dejanske teže, tlaka avtomobila in tlaka obremenitve, ki ga nosi okvir avtomobila. Za mreženje so bili uporabljeni elementi S4R z velikostjo mrežnega očesa 10 mm, kar je povzročilo 590.350 vozlišč in 431.287 elementov, kar zagotavlja natančnost modela.
Rezultati analize kažejo, da je pri nazivnih pogojih delovanja največja napetost v okvirju avtomobila 138,9 MPa, kar je daleč pod mejo tečenja materiala. Največja obremenitev se pojavi pri stiku med anti-vibracijsko gumo in stranskimi nosilci okvirja avtomobila, kar ima za posledico lokalizirano koncentracijo obremenitev zaradi stiskanja kontakta. Vendar pa to zgoščeno območje pokriva samo dva mrežasta elementa in ima minimalen vpliv na celotno obremenitev okvirja avtomobila. Izračuni kažejo, da je razmerje med napetostjo tečenja materiala in 1,5-kratnim varnostnim faktorjem 156,7 MPa (235 MPa/1,5), največja napetost 138,9 MPa pa izpolnjuje varnostne zahteve.
Pod 125-odstotnim stanjem preobremenitve se največja napetost v okvirju avtomobila dvigne na 296,2 MPa, spet skoncentrirana na kontaktni točki med anti{2}}vibracijsko gumo in stranskimi nosilci okvirja avtomobila. Območje koncentracije napetosti se razširi na štiri mrežne celice, vendar je njen vpliv na celotno strukturno napetost še vedno omejen. Poleg območja koncentracije napetosti je največja napetost v preostalih območjih 166,4 MPa. Čeprav je nižja od meje tečenja materiala, ne izpolnjuje zahteve glede 1,5-kratnega varnostnega faktorja. Poleg tega je največji kumulativni premik okvirja avtomobila 9,5 mm, zaradi česar se je treba izogibati dolgotrajnemu-preobremenitvenemu delovanju pri dejanski uporabi.
1.2 Dinamična analiza: preverjanje strukturne varnosti v ekstremnih pogojih delovanja
Dinamična analiza se osredotoča na pogoje izjemnega tveganja med delovanjem dvigala-spuščanjem kabine in zaviranjem v sili. Pod temi pogoji se hitrost in pospešek okvirja avtomobila skozi čas dinamično spreminjata. Prehodne dinamične simulacije se izvajajo z uporabo modula Abaqus Explicit. Začetna hitrost je kontaktna hitrost med odbojnikom in okvirjem avtomobila, amplituda dejanske spremembe hitrosti med delovanjem pa je vnesena za simulacijo dinamičnega odziva konstrukcije na obremenitve.
Rezultati simulacije kažejo, da ko avtomobil pade na dno, pride do velike koncentracije napetosti na kontaktni točki med odbojnikom in okvirjem avtomobila, nekateri deli pa so podvrženi plastični deformaciji zaradi čezmerne napetosti. Pri 0,084 sekunde po dosegu dna največja napetost na točki udarca doseže 248,2 MPa. Čeprav to ne preseže meje trdnosti materiala 400 MPa in prepreči splošno strukturno okvaro, okvir avtomobila izgubi sposobnost normalnega delovanja. Zato so celoviti varnostni zaščitni sistemi bistvenega pomena pri načrtovanju in delovanju dvigala, da preprečijo padce kabine. V pogojih zaviranja v sili je največja vrednost napetosti okvirja avtomobila 229,1 MPa, kar je nižje od meje tečenja materiala, obseg delovanja napetosti pa je majhen, kar ne bo ogrozilo konstrukcijske varnosti. To kaže, da lahko sistem dvigala za zaviranje v sili učinkovito zagotovi stabilnost strukture okvirja kabine.
2. Optimizacija zasnove zgornjega prečnega nosilca avtomobilskega okvirja: lahka rešitev v akciji
Na podlagi rezultatov mehanske analize je raziskovalna skupina ugotovila, da skupna obremenitev okvirja avtomobila izpolnjuje varnostne zahteve in ima med običajnim delovanjem precejšnje varnostne rezerve, kar kaže na potencial za optimizacijo lahke teže. Nadaljnja analiza porazdelitve napetosti vsake komponente je ugotovila, da je zgornji prečni nosilec glavni cilj optimizacije-njegove vrednosti napetosti v različnih pogojih delovanja so bile precej pod mejo materiala, kar kaže na največji potencial optimizacije.
2.1 Določitev optimizacijskih spremenljivk in metod
Glede na stabilnost celotne strukturne postavitve okvirja avtomobila smo se odločili, da ne bomo spreminjali ključnih dimenzij, kot so dolžina, višina upogiba in skupna višina zgornjega prečnega nosilca. Osredotočili smo se samo na debelino zgornjega prečnega nosilca kot edino spremenljivko optimizacije, da bi se izognili vplivanju na ravnovesje napetosti drugih komponent zaradi strukturnih prilagoditev. Metoda optimizacije je uporabila pristop »--zmanjševanje po korakih«, začenši z prvotno debelino 6 mm in zmanjševanjem debeline za 0,5 mm naenkrat. Z več simulacijskimi analizami smo preverili odpornost na obremenitev in varnostni status zgornjega prečnega nosilca z različnimi debelinami in na koncu izbrali optimalno rešitev.
2.2 Primerjava zmogljivosti in kakovosti pred in po optimizaciji
Več krogov preverjanja simulacije je potrdilo, da je zmanjšanje debeline zgornjega prečnega nosilca s 6 mm na 4 mm doseglo optimalno ravnotežje med strukturno zmogljivostjo in lahko težo. Kar zadeva zmogljivost obremenitve, je bila največja obremenitev zgornjega prečnega nosilca pred optimizacijo le 17,08 MPa, precej pod mejo tečenja materiala. Po optimizaciji se je največja obremenitev povečala na 139,5 MPa, kar je še vedno pod varnostnim pragom 156,7 MPa, s čimer je izpolnjena zahteva glede 1,5-kratnega varnostnega faktorja ter prikazane stabilne in zanesljive mehanske lastnosti.
Z vidika lahke teže in nadzora nad stroški se je po optimizaciji masa posameznega zgornjega prečnega nosilca zmanjšala z 29,95 kg na 22,46 kg, zmanjšanje teže za 7,49 kg na nosilec in stopnja lahke teže za 25 %. Zmanjšana masa zgornjega prečnega nosilca prav tako posredno zmanjša skupno-nosilno obremenitev okvirja avtomobila, kar dodatno optimizira napetostno stanje celotnega sistema avtomobila in tvori učinkovit cikel "lahke - nizke obremenitve - večje varnosti".
3. Zaključki raziskave in vrednost industrije
Ta raziskava o optimizirani zasnovi strukture okvirja kabine vlečnega dvigala je z znanstveno mehansko analizo in natančno optimizacijo parametrov prinesla naslednje ključne zaključke: Prvič, največja obremenitev v okvirju kabine pri nazivnih delovnih pogojih je bila 138,9 MPa, največja obremenitev v ne-koncentriranih območjih v pogojih preobremenitve pa 166,4 MPa, oboje pa izpolnjuje osnovne mehanske zahteve. Drugič, konstrukcija ni utrpela splošne škode v pogojih padca avtomobila in zaviranja v sili, vendar je tveganje padca avtomobila še vedno zaskrbljujoče. Tretjič, z optimizacijo debeline zgornjega prečnega nosilca s 6 mm na 4 mm je bila ohranjena varnostna učinkovitost ob doseganju cilja 25 % lažje teže.
Z vidika industrije ta raziskava proizvajalcem dvigal ponuja praktično rešitev za-prihranek stroškov in{1}}učinkovitost. Z zmanjšanjem debeline zgornjega prečnega nosilca lahko proizvajalci neposredno zmanjšajo uporabo surovin, kot je jeklo, in s tem znižajo proizvodne stroške. Poleg tega lahek okvir avtomobila zmanjša porabo energije med delovanjem dvigala in izboljša splošno energetsko učinkovitost opreme. Poleg tega metoda "mehanske analize - pregled spremenljivke - korak-za-korakno optimizacijo", uporabljena v raziskavi, zagotavlja tudi referenčno paradigmo za optimizirano načrtovanje drugih strukturnih komponent v industriji dvigal, ki spodbuja preobrazbo industrije iz "empiričnega načrtovanja" v "podatkovno-načrtovanje", in pomagati izdelkom dvigal doseči višjo raven ravnovesja med varnostjo in gospodarnostjo.
