Pe măsură ce urbanizarea se accelerează și numărul de clădiri-înalte continuă să crească, lifturile, ca echipamente de bază pentru transportul vertical, își găsesc aplicații din ce în ce mai răspândite. Conform statisticilor din industrie, în țara mea există aproape 1.000 de producători de lifturi, iar concurența pe piață se intensifică. Reducerea costurilor și creșterea eficienței prin optimizarea produselor a devenit o problemă cheie pentru industrie. Ascensoarele de tracțiune, ca tip de lift principal, și-au maturizat tehnologia de sprijin după un secol de dezvoltare. Structura lor constă din opt sisteme majore: sistemul de tracțiune, sistemul de mașină și sistemul de ghidare. Sistemul mașinii suportă direct sarcina, în timp ce cadrul mașinii, ca cadru structural al mașinii, are un design care afectează direct performanțele de siguranță ale ascensorului și costul de producție. Masa excesivă a cadrului mașinii poate duce la risipă de materiale și la un design redundant; în timp ce o greutate prea ușoară poate să nu îndeplinească cerințele de sarcină, prezentând un pericol pentru siguranță.
Am efectuat cercetări de optimizare a structurii cadrului cabinei ascensorului de tracțiune, utilizând software de simulare numerică pentru a analiza statica și dinamica cadrului. Această abordare ne permite să realizăm un design ușor, asigurând în același timp siguranța structurală, oferind o soluție practică pentru îmbunătățirea eficienței economice pentru întreprinderi.
1. Analiza mecanică a cadrului mașinii liftului: baza proiectării de optimizare
Pentru a asigura soluția de optimizare științifică și fiabilă, echipa de cercetare a folosit mai întâi un software profesional de simulare numerică pentru a efectua o analiză cuprinzătoare a proprietăților mecanice ale cadrului cabinei liftului în diferite condiții de funcționare, oferind suport de date pentru proiectarea ușoară ulterioară.
1.1 Analiză statică: Performanța la stres în condiții nominale și de suprasarcină
Analiza statică s-a concentrat pe condițiile nominale de funcționare și condițiile extreme de suprasarcină ale funcționării normale a ascensorului. Obiectivul său principal a fost de a simula distribuția tensiunilor și deplasarea cadrului mașinii prin stabilirea unui model structural precis. În timpul cercetării, echipa a construit mai întâi un model structural 3D al cadrului mașinii folosind software-ul SolidWorks și apoi a importat modelul în software-ul de analiză Abaqus în format x_t. Având în vedere structura complexă a cadrului mașinii, pentru a simplifica calculele și a menține acuratețea analizei, au omis mici detalii precum conexiuni, suduri, șuruburi și teșituri. Structura principală a fost apoi transformată într-o carcasă, iar componente precum scripetele de retur, clema de siguranță și sabotul de ghidare au fost simplificate în corpuri rigide. Setările parametrilor s-au bazat pe standardele reale de funcționare a liftului, cu o putere a motorului de tracțiune de 11,7 kW, o greutate a mașinii de 1100 kg, o viteză nominală de 1,75 m/s, o sarcină nominală de 1050 kg și o înălțime de ridicare de 82,5 m. Constrângerile orizontale au fost aplicate modelului pentru a simula greutatea reală, presiunea mașinii și presiunea încărcăturii suportate de cadrul mașinii. S-au folosit elemente S4R pentru ochiuri, cu o dimensiune a ochiurilor de 10 mm, rezultând 590.350 de noduri și 431.287 de elemente, asigurând acuratețea modelului.
Rezultatele analizei arată că în condițiile de funcționare nominale, solicitarea maximă în cadrul mașinii este de 138,9 MPa, mult sub limita de curgere a materialului. Tensiunea maximă apare la contactul dintre cauciucul anti-vibrații și grinzile laterale ale cadrului mașinii, rezultând o concentrare localizată a tensiunii din cauza compresiei de contact. Cu toate acestea, această zonă concentrată acoperă doar două elemente de plasă și are un impact minim asupra stresului general al cadrului mașinii. Calculele arată că raportul dintre tensiunea de curgere a materialului și un factor de siguranță de 1,5 ori este de 156,7 MPa (235 MPa/1,5), iar tensiunea maximă de 138,9 MPa îndeplinește cerințele de siguranță.
În condiții de suprasarcină de 125%, tensiunea maximă în cadrul mașinii crește la 296,2 MPa, din nou concentrată la punctul de contact dintre cauciucul anti-vibrații și grinzile laterale ale cadrului mașinii. Zona de concentrare a tensiunii se extinde la patru celule de grilă, dar impactul său asupra tensiunii structurale generale este încă limitat. În afară de zona de concentrare a tensiunii, tensiunea maximă în zonele rămase este de 166,4 MPa. Deși este mai mic decât limita de curgere a materialului, acesta nu atinge cerințele privind factorul de siguranță de 1,5 ori. În plus, deplasarea maximă cumulată a cadrului mașinii este de 9,5 mm, ceea ce necesită evitarea operațiunii de suprasarcină pe termen lung{10}}în timpul utilizării efective.
1.2 Analiza dinamică: Verificarea siguranței structurale în condiții extreme de funcționare
Analiza dinamică se concentrează pe condițiile de risc extreme în timpul funcționării liftului-la fundul mașinii și la frânarea de urgență. În aceste condiții, viteza și accelerația cadrului mașinii se modifică dinamic în timp. Simulările dinamice tranzitorii sunt efectuate folosind modulul Abaqus Explicit. Viteza inițială este viteza de contact dintre tampon și cadrul mașinii, iar amplitudinea modificării reale a vitezei în timpul funcționării este introdusă pentru a simula răspunsul la stres dinamic al structurii.
Rezultatele simulării arată că atunci când mașina atinge fundul, au loc concentrații mari de tensiuni la punctul de contact dintre tampon și cadrul mașinii, iar unele componente suferă deformații plastice din cauza solicitărilor excesive. La 0,084 secunde după atingerea fundului, tensiunea maximă în punctul de impact atinge 248,2 MPa. Deși acest lucru nu depășește limita de rezistență a materialului de 400 MPa și previne defecțiunea structurală generală, cadrul mașinii își pierde capacitatea de a funcționa normal. Prin urmare, sistemele de protecție cuprinzătoare de siguranță sunt esențiale în proiectarea și funcționarea ascensorului pentru a preveni atingerea fundului mașinii. În condiții de frânare de urgență, valoarea maximă a tensiunii a cadrului mașinii este de 229,1 MPa, care este mai mică decât tensiunea de curgere a materialului, iar intervalul de acțiune al tensiunii este mic, ceea ce nu va reprezenta o amenințare pentru siguranța structurală. Acest lucru arată că sistemul de frânare de urgență al ascensorului poate asigura în mod eficient stabilitatea structurii cadrului mașinii.
2. Design de optimizare a traversei superioare a cadrului mașinii: o soluție ușoară în acțiune
Pe baza rezultatelor analizei mecanice, echipa de cercetare a descoperit că stresul general al cadrului mașinii a îndeplinit cerințele de siguranță și a avut marje de siguranță semnificative în timpul funcționării normale, indicând potențialul de optimizare a ușoarei. O analiză ulterioară a distribuției tensiunilor fiecărei componente a identificat traversa superioară ca țintă de optimizare a miezului-valorile sale de stres în diferite condiții de funcționare au fost mult sub limita materialului, indicând cel mai mare potențial de optimizare.
2.1 Determinarea variabilelor și metodelor de optimizare
Având în vedere stabilitatea aspectului structural general al cadrului mașinii, am decis să nu modificăm dimensiunile cheie, cum ar fi lungimea, înălțimea îndoirii și înălțimea totală a traversei superioare. Ne-am concentrat exclusiv pe grosimea traversei superioare ca singura variabilă de optimizare pentru a evita afectarea echilibrului tensiunilor altor componente din cauza ajustărilor structurale. Metoda de optimizare a folosit o abordare de „reducere-cu-pas cu pas”, începând cu o grosime inițială de 6 mm și reducând grosimea cu 0,5 mm o dată. Prin multiple analize de simulare, am verificat performanța la solicitarea și starea de siguranță a traversei superioare cu grosimi diferite, selectând în cele din urmă soluția optimă.
2.2 Compararea performanței și calității înainte și după optimizare
Mai multe runde de verificare prin simulare au confirmat că reducerea grosimii traversei superioare de la 6 mm la 4 mm a realizat echilibrul optim între performanța structurală și greutate redusă. În ceea ce privește performanța la stres, solicitarea maximă a traversei superioare înainte de optimizare a fost de numai 17,08 MPa, cu mult sub limita de curgere a materialului. După optimizare, tensiunea maximă a crescut la 139,5 MPa, încă sub pragul de siguranță de 156,7 MPa, îndeplinind cerința factorului de siguranță de 1,5x și demonstrând proprietăți mecanice stabile și fiabile.
În ceea ce privește ușurarea și controlul costurilor, după optimizare, masa unei singure traverse superioare a fost redusă de la 29,95 kg la 22,46 kg, o reducere a greutății de 7,49 kg per fascicul și un grad de ușurare de 25%. Masa redusă a traversei superioare reduce, de asemenea, indirect, sarcina totală portantă-sarcina portantă a cadrului mașinii, optimizând și mai mult starea de solicitare a întregului sistem de mașină, formând un ciclu virtuos de „încărcare ușoară - sarcină mică - mai mare siguranță”.
3. Concluziile cercetării și valoarea industriei
Această cercetare privind proiectarea optimizată a structurii cadrului cabinei ascensorului de tracțiune, prin analiză mecanică științifică și optimizare precisă a parametrilor, a condus la următoarele concluzii cheie: în primul rând, solicitarea maximă în cadrul cabinei în condiții nominale de funcționare a fost de 138,9 MPa, iar stresul maxim în zonele neconcentrate în condiții de suprasarcină a fost de 166,4 MPa, ambele îndeplinind cerințele mecanice de bază. În al doilea rând, structura nu a suferit daune generale în condițiile de afundare a mașinii și de frânare de urgență, dar riscul de atingere a fundului mașinii rămâne o preocupare. În al treilea rând, prin optimizarea grosimii traversei superioare de la 6 mm la 4 mm, performanța de siguranță a fost menținută în același timp cu atingerea unui obiectiv de ușurare de 25%.
Din perspectiva industriei, această cercetare oferă producătorilor de lifturi o soluție practică de{0}}economisire a costurilor și de îmbunătățire-a eficienței. Prin reducerea grosimii traversei superioare, producătorii pot reduce în mod direct utilizarea de materii prime, cum ar fi oțelul, reducând astfel costurile de producție. În plus, cadrul ușor al mașinii reduce consumul de energie în timpul funcționării liftului, îmbunătățind eficiența energetică generală a echipamentului. În plus, metoda „analiza mecanică - screening variabile - pas--optimizarea pas cu pas” utilizată în cercetare oferă, de asemenea, o paradigmă de referință pentru proiectarea optimizată a altor componente structurale din industria ascensoarelor, promovând transformarea industriei de la „proiectare empiric” la „proiectare bazată pe date-și ajutând produsele pentru ascensoare ating un nivel mai ridicat de echilibru între siguranță și economie.
