起重機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

王忠

摘要：在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，起重機(jī)是非常重要的一種機(jī)械設(shè)備，運(yùn)用非常廣泛，通?？梢赃M(jìn)行物品的裝卸、起重等動(dòng)作，給人力減輕許多壓力，通過(guò)機(jī)械的方式替代人力，達(dá)到提升效率的目的。本文討論了應(yīng)用于起重機(jī)的幾種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，并對(duì)各種設(shè)計(jì)方法的定義和設(shè)計(jì)思路在起重機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作了進(jìn)一步的闡述，提出了綜合設(shè)計(jì)法的發(fā)展方向。本文是個(gè)人的一些見(jiàn)解，可供參考。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械;現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法;發(fā)展方向

前 ?言

起重機(jī)械的設(shè)計(jì)方法有很多， 如標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)等。而這些設(shè)計(jì)方法都是圍繞產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)完成的， 因?yàn)槠鹬貦C(jī)械的質(zhì)量才是各個(gè)方面綜合的體現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中把以上各種方法都用上也是不現(xiàn)實(shí)的， 所以， 在我們實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中， 可以將兩種、三種或三種以上的多種方法結(jié)合起來(lái)，盡量多地考慮設(shè)計(jì)變量， 以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。發(fā)展綜合設(shè)計(jì)方法， 從理念和技術(shù)上尋求產(chǎn)品與設(shè)計(jì)的最好結(jié)合點(diǎn)， 使我們實(shí)際的產(chǎn)品朝著具有過(guò)硬質(zhì)量的現(xiàn)代化方向發(fā)展。

一、起重機(jī)的發(fā)展方向及機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法分析研究

由于我國(guó)起重機(jī)械行業(yè)發(fā)展起步較晚， 雖然在技術(shù)水平上有了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步， 但與國(guó)際水平相比還存在一定的差距， 如：產(chǎn)品性能一般， 產(chǎn)品開發(fā)能力較弱， 制造工藝水平較低， 產(chǎn)品檢測(cè)水平不高， 配套件供應(yīng)和質(zhì)量問(wèn)題影響較大， 產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更新落后， 實(shí)施乏力等。因此， 為了適應(yīng)工業(yè)的迅猛發(fā)展， 與國(guó)際發(fā)展接軌， 許多起重機(jī)設(shè)計(jì)制造企業(yè)從各個(gè)環(huán)節(jié)上謀求了不同程度的發(fā)展， 主要發(fā)展方向?yàn)椋?向大型、高效、節(jié)能方向發(fā)展; 向自動(dòng)化、智能化、集成化和信息化方向發(fā)展; 向小型化、輕型化、簡(jiǎn)單化和多樣化發(fā)展; 向成套化、系統(tǒng)化、綜合化和規(guī)?；l(fā)展; 向模塊化、組合化、系列化和通用化發(fā)展; 采用新理論、新方法、新技術(shù)和新手段提高設(shè)計(jì)質(zhì)量;采用新結(jié)構(gòu)、新部件、新材料和新工藝提高產(chǎn)品性能等。順應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)， 機(jī)械設(shè)計(jì)方法也由原來(lái)傳統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)等方法向現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。從設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看有：方案設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì);施工設(shè)計(jì);工藝設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)內(nèi)容來(lái)看有：概念設(shè)計(jì)或方案設(shè)計(jì); 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);幾何參數(shù)設(shè)計(jì); 工藝參數(shù)設(shè)計(jì); 造型設(shè)計(jì)等。從設(shè)計(jì)方法來(lái)看有： 優(yōu)化設(shè)計(jì);智能設(shè)計(jì);虛擬設(shè)計(jì); 可視化設(shè)計(jì); 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì); 并行設(shè)計(jì); 協(xié)同設(shè)計(jì); 相似性設(shè)計(jì); 數(shù)字化設(shè)計(jì);反求設(shè)計(jì);快速反應(yīng)設(shè)計(jì); 集成設(shè)計(jì); 柔性設(shè)計(jì);融合設(shè)計(jì);模塊化設(shè)計(jì);模糊設(shè)計(jì); CAD; 三次設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)思想與觀點(diǎn)來(lái)看有：綠色設(shè)計(jì); 創(chuàng)新設(shè)計(jì); 基于質(zhì)量展開的設(shè)計(jì)（QFD）; 基于系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì); 基于價(jià)值工程展開的設(shè)計(jì)等。

二、起重機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法分析研究

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)

起重機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)一般是非線性規(guī)劃問(wèn)題， 實(shí)質(zhì)上是多元非線性函數(shù)的極小化問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量、約束條件的選取， 即數(shù)學(xué)模型的建立?，F(xiàn)以門式起重機(jī)門架的設(shè)計(jì)為例來(lái)說(shuō)明其設(shè)計(jì)思路。首先確定目標(biāo)函數(shù) G（ x）， 如門架的重量。然后確定設(shè)計(jì)變量 xi（ i = 1， 2， ， ， n） ， 即決定或?qū)δ繕?biāo)函數(shù)有較大影響的各個(gè)參數(shù)， 如主梁、支腿、端梁、橫梁的重量。根據(jù)設(shè)計(jì)變量所受的各種限制確定約束條件， 包括等式約束和不等式約束， 如跨中最大正應(yīng)力、跨中腹板最大剪應(yīng)力等等（ 由于篇幅的限制不一一列出） 。建立目標(biāo)函數(shù) G（ x） 與設(shè)計(jì)變量在 x 約束條件下的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即目標(biāo)函數(shù) G（ x） = G（ x1， x2， ， ， xn） ， 設(shè)計(jì)過(guò)程就是求目標(biāo)函數(shù)的最小值。最后用各種優(yōu)化方法如一維搜索法、梯度法、牛頓法、懲罰函數(shù)法、共軛梯度法等確定設(shè)計(jì)變量如組成門架的各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)、尺寸等的最優(yōu)值， 完成最優(yōu)設(shè)計(jì)。

2.模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)有兩層含義， 即在考慮機(jī)械的功能和構(gòu)成的基礎(chǔ)上， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的互換性和模塊間接口的標(biāo)準(zhǔn)化。因此在進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)， 不但要使模塊滿足設(shè)計(jì)功能方面的要求， 而且要使模塊間能夠自由連接和組合， 這樣才能發(fā)揮模塊化的優(yōu)勢(shì)， 高效完成設(shè)計(jì)任務(wù)。起重機(jī)模塊化設(shè)計(jì)的基本思路： 將起重機(jī)進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)分析， 然后根據(jù)分析結(jié)果， 劃分并建立具有獨(dú)立專有功能的模塊， 對(duì)模塊進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì); 最后根據(jù)設(shè)計(jì)要求組合模塊，得到我們所需功能的起重機(jī)。模塊化產(chǎn)品的特征就是從功能元素到物理組成的一一對(duì)應(yīng)。起重機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)后， 不但可以使其質(zhì)量得到保障， 而且還可以大大縮短設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)周期， 增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力， 還可以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械零部件的成批生產(chǎn)， 從而很大程度的降低生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)成本， 實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.有限元法設(shè)計(jì)

有限元法就是將一個(gè)形狀復(fù)雜的連續(xù)體的求解域， 分解為有限個(gè)簡(jiǎn)單的子區(qū)域， 即將一個(gè)連續(xù)體簡(jiǎn)化為有限個(gè)單元組成的等效組合體， 通過(guò)連續(xù)體的離散化， 把求解連續(xù)體的場(chǎng)變量問(wèn)題， 簡(jiǎn)化為有限單元節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)變量， 求解系列代數(shù)方程組， 得到近似的數(shù)值解。有限元法設(shè)計(jì)大致可分為四步： 1） 結(jié)構(gòu)離散; 2） 單元分析;3） 整體分析;4）數(shù)值求解。這種方法具有很大的靈活性， 只要改變劃分單元的數(shù)目， 就可以改變解的精確度， 得到與真實(shí)情況無(wú)限接近的結(jié)果， 為我們的設(shè)計(jì)提供更確鑿的依據(jù)。

4.動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是應(yīng)用動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方法， 特別是應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方法， 選擇機(jī)械設(shè)備較優(yōu)的結(jié)構(gòu)， 較優(yōu)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)， 以達(dá)到設(shè)備最優(yōu)的工作狀態(tài)。這樣可以在較大范圍內(nèi)考慮其工作過(guò)程中非線性因素的影響， 使振動(dòng)超標(biāo)等有關(guān)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中得以消除。起重機(jī)械如大型門機(jī)，其鋼結(jié)構(gòu)重量占整機(jī)重量的 60%以上， 而且其鋼結(jié)構(gòu)承受復(fù)雜耦合的機(jī)械運(yùn)動(dòng)， 對(duì)系統(tǒng)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)， 鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在這種振動(dòng)的影響下會(huì)導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞， 同時(shí)， 設(shè)備在工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲， 會(huì)損壞操作者的身心健康， 這也是一個(gè)致力解決的工程問(wèn)題。因而， 要考慮設(shè)備的動(dòng)態(tài)安全及人機(jī)工程， 這都是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題。

5.CAD

CAD 是由計(jì)算機(jī)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的計(jì)算、分析、模擬、制圖編制技術(shù)文件等工作， 但這項(xiàng)技術(shù)又不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)單影象， 也不是局限在個(gè)別步驟或環(huán)節(jié)中部分的使用計(jì)算機(jī)作為工具， 而是將計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)以及人的智慧經(jīng)驗(yàn)以現(xiàn)代的科學(xué)方法相結(jié)合， 盡可能地依靠計(jì)算機(jī)完成重復(fù)性高、勞動(dòng)量大、計(jì)算復(fù)雜以及單純靠人工難以完成的工作， 輔助而非代替技術(shù)人員完成整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程， 以獲得最佳結(jié)果。

6.智能化設(shè)計(jì)

智能設(shè)計(jì)有兩種不同的含義： 1） 用智能方法進(jìn)行設(shè)計(jì); 2） 對(duì)設(shè)計(jì)的對(duì)象實(shí)現(xiàn)智能化， 而現(xiàn)行的智能設(shè)計(jì)也偏重于對(duì)產(chǎn)品的性能參數(shù)及其工作過(guò)程進(jìn)行智能控制與優(yōu)化。對(duì)于起重機(jī)械， 智能設(shè)計(jì)會(huì)在較大程度上提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量， 并提升產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力， 進(jìn)而給產(chǎn)品帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

三、結(jié)束語(yǔ)

起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備， 被廣泛的應(yīng)用于各種物料的起重、裝卸、安裝等作業(yè)中， 大大減輕了體力勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。若要提高起重產(chǎn)品的質(zhì)量， 降低生產(chǎn)成本， 利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法是必不可少的。起重機(jī)械的設(shè)計(jì)方法與起重機(jī)械的發(fā)展方向和機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向是密切相關(guān)的。

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