新型雙梁鑄造起重機(jī)主減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

強(qiáng)俊

(銀川科安特起重機(jī)制造有限公司，寧夏銀川，750001)

引言

目前國(guó)內(nèi)不少學(xué)者和生產(chǎn)廠家對(duì)起重機(jī)設(shè)備進(jìn)行了大量的研究工作，但其主要集中在吊臂、主梁、臂架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、起重機(jī)參數(shù)優(yōu)化及振動(dòng)參數(shù)分析等方面，而起重機(jī)結(jié)構(gòu)龐大、制造成本和運(yùn)行能耗高等問(wèn)題仍難改變。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的提出

在工礦企業(yè)及運(yùn)輸、建筑等部門(mén)中，齒輪減速器是一種應(yīng)用極為廣泛的重要機(jī)械部件。因此，合理設(shè)計(jì)圓柱齒輪減速器是十分重要的。高等學(xué)校機(jī)械零件課程設(shè)計(jì)的主要題目之一也是圓柱齒輪減速器。長(zhǎng)期以來(lái)，圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)是按傳統(tǒng)方法進(jìn)行的。設(shè)計(jì)人員按照各種資料、文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)已有減速器作一番類(lèi)比，可以初步訂出一個(gè)設(shè)計(jì)方案，然后對(duì)這個(gè)方案進(jìn)行一些驗(yàn)算，如果驗(yàn)算通過(guò)了，方案便被肯定了。顯然，在這種情況下，我們只能說(shuō)這個(gè)方案是可用的。但這往往使設(shè)計(jì)出的減速器有很大的尺寸富裕量，造成財(cái)力、物力和人力的極大浪費(fèi)。而且對(duì)于類(lèi)似筆者提出的改造性問(wèn)題傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是無(wú)能為力的。目前工程人員設(shè)計(jì)往往也采用類(lèi)比的方法。若仍停留在這種設(shè)計(jì)水平上，必將阻礙我國(guó)科技水平的進(jìn)一步發(fā)展。所以改革這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，吸收新的設(shè)計(jì)方法—優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，就顯得尤為重要。不僅制作齒輪的材料性能要更好，中硬齒面還需要進(jìn)行磨齒，加工的刀具要采用超硬質(zhì)材料。再加上淬火等熱處理工藝，使整個(gè)減速器的制造成本增加不少。而“軟件升級(jí)"是利用數(shù)學(xué)模型對(duì)減速器的嚙合參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，使每個(gè)參數(shù)和諧工作以至整個(gè)減速器的承載能力達(dá)到最大，采用參數(shù)優(yōu)化的方法更能體現(xiàn)思維的創(chuàng)造。

2 新型雙梁鑄造起重機(jī)主減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 減速器箱體的靜力優(yōu)化設(shè)計(jì)

一是齒輪箱靜力有限元模型。利用三維建模軟件 UG，對(duì)齒輪箱箱體進(jìn)行實(shí)體建模，而后將其導(dǎo)入到 ANSYS 軟件中，采用四面體實(shí)體單元對(duì)齒輪箱箱體進(jìn)行有限元網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。箱體約束形式：在下箱體底座螺栓孔處節(jié)點(diǎn)施加零位移約束，箱體的軸承孔受軸向載荷和徑向載荷作用，其中軸向載荷均勻作用于軸承孔端面圓周上。將軸承支反力以余弦載荷的形式施加到軸承孔上，得到箱體靜力有限元分析模型。二是優(yōu)化分析結(jié)果及評(píng)價(jià)。利用語(yǔ)言編制命令求解程序，采用一階優(yōu)化算法對(duì)起重機(jī)用減速器箱體進(jìn)行優(yōu)化求解，得到輕量化減速器箱體的尺寸參數(shù)。借助優(yōu)化算法對(duì)起重機(jī)用齒輪減速器箱體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，雖然可有效減輕箱體質(zhì)量，但可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)模態(tài)頻率與系統(tǒng)激振頻率一致，而出現(xiàn)共振現(xiàn)象。因此，為了確保優(yōu)化后齒輪箱不會(huì)出現(xiàn)共振，有必要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。

2.2 參數(shù)優(yōu)化的方法

標(biāo)準(zhǔn)減速器存在承載能力不足、壽命短等主要問(wèn)題，我們就從這幾個(gè)方面下手對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在不同的優(yōu)化目標(biāo)下進(jìn)行。除了一些特殊的場(chǎng)合外，通常可分為三大類(lèi)：最小的體積(重量)、最大的承載能力或最低的費(fèi)用。第三類(lèi)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將涉及相當(dāng)多的因素，除減速器設(shè)計(jì)方案的合理性外，還取決于企業(yè)的勞動(dòng)組織、管理水平、設(shè)備構(gòu)成、人員素質(zhì)和材料價(jià)格等因素。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，該目標(biāo)最終還是歸結(jié)為第一類(lèi)或第二類(lèi)目標(biāo)，即減小減速器的體積或增大其承載能力。第一類(lèi)目標(biāo)與第二類(lèi)目標(biāo)體現(xiàn)著減速器設(shè)計(jì)中的一對(duì)矛盾，即體積與承載能力的矛盾。在一定體積下，減速器的承載能力是有限的。在承載能力一定時(shí)，減速器的體積的減小是有限的。由此看來(lái)，這兩類(lèi)目標(biāo)所體現(xiàn)的本質(zhì)是一樣的。只是前一類(lèi)把一定的承載能力作為優(yōu)先滿足的條件，把體積作為優(yōu)化目標(biāo)，后一類(lèi)反之而已。

2.3 現(xiàn)代優(yōu)化方法

復(fù)合形法是求解約束優(yōu)化問(wèn)題的一種重要的直接解法。它的基本思路是在可行域內(nèi)構(gòu)造一個(gè)具有頂點(diǎn)的初始復(fù)合形。對(duì)該復(fù)合形各頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行比較，找到目標(biāo)函數(shù)值最大的頂點(diǎn)，然后按一定的法則求出目標(biāo)函數(shù)值有所下降的可行的新點(diǎn)，并用此點(diǎn)代替最壞點(diǎn)，構(gòu)成新的復(fù)合形，復(fù)合形的形狀每改變一次，就向最優(yōu)點(diǎn)移動(dòng)一步，直至逼近最優(yōu)點(diǎn)。還可以采用旋轉(zhuǎn)等方法來(lái)改變復(fù)合形形狀，應(yīng)當(dāng)指出的是，采用改變復(fù)合形形狀的方法越多，程序設(shè)計(jì)越復(fù)雜，有可能降低計(jì)算效率及可靠性。因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)具體情況采用某些有效的方法。在齒輪設(shè)計(jì)中，齒輪的模數(shù)主要與齒輪輪齒的彎曲承載能力有關(guān)，模數(shù)的大小對(duì)齒輪傳動(dòng)的噪聲有不同的影響。在精度高的齒輪傳動(dòng)中，模數(shù)越大，噪聲越小，這是因?yàn)樵诜侄葓A直徑不變的條件下，單位時(shí)間嚙合的沖擊次數(shù)減少的緣故。此外，模數(shù)增大，齒頂滑動(dòng)速度也增大，容易引起膠合破壞。因此易膠合的齒輪傳動(dòng)，不宜選用大模數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)學(xué)方法和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)已成現(xiàn)代社會(huì)最為流行的方法之一。減速器是起重機(jī)的重要組成部件。它直接影響整臺(tái)起重機(jī)的性能。因此, 起重機(jī)用減速器設(shè)計(jì)水平的提高對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)有著非常重要的意義。

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