Keďže urbanizácia sa zrýchľuje a počet výškových{0} budov neustále rastie, výťahy ako základné vybavenie vertikálnej dopravy nachádzajú čoraz rozšírenejšie uplatnenie. Podľa priemyselných štatistík je v mojej krajine takmer 1 000 výrobcov výťahov a konkurencia na trhu sa zintenzívňuje. Znižovanie nákladov a zvyšovanie efektivity prostredníctvom optimalizácie produktov sa stalo kľúčovým problémom v tomto odvetví. Trakčné výťahy, ako hlavný typ výťahu, dozreli na svoju podpornú technológiu po storočí vývoja. Ich štruktúra pozostáva z ôsmich hlavných systémov: trakčný systém, automobilový systém a vodiaci systém. Systém kabíny priamo nesie zaťaženie, zatiaľ čo rám kabíny ako konštrukčná konštrukcia kabíny má dizajn, ktorý priamo ovplyvňuje bezpečnostný výkon výťahu a výrobné náklady. Nadmerná hmotnosť rámu automobilu môže viesť k plytvaniu materiálom a nadbytočnému dizajnu; zatiaľ čo príliš nízka hmotnosť nemusí spĺňať požiadavky na zaťaženie, čo predstavuje bezpečnostné riziko.
Uskutočnili sme optimalizačný výskum konštrukcie rámu kabíny trakčného výťahu pomocou softvéru numerickej simulácie na analýzu statiky a dynamiky rámu. Tento prístup nám umožňuje dosiahnuť ľahkú konštrukciu a zároveň zaistiť štrukturálnu bezpečnosť a poskytuje praktické riešenie na zlepšenie ekonomickej efektívnosti pre podniky.
1. Mechanická analýza rámu auta výťahu: Základ návrhu optimalizácie
Na zabezpečenie vedeckého a spoľahlivého optimalizačného riešenia výskumný tím najprv použil profesionálny numerický simulačný softvér na vykonanie komplexnej analýzy mechanických vlastností rámu kabíny výťahu v rôznych prevádzkových podmienkach, čím poskytol podporu údajov pre následný ľahký dizajn.
1.1 Statická analýza: Stresový výkon pri menovitých podmienkach a podmienkach preťaženia
Statická analýza sa zamerala na menovité prevádzkové podmienky a extrémne podmienky preťaženia bežnej prevádzky výťahu. Jeho hlavným cieľom bolo simulovať rozloženie napätia a posunutie rámu auta vytvorením presného konštrukčného modelu. Počas výskumu tím najprv vytvoril 3D štrukturálny model rámu auta pomocou softvéru SolidWorks a potom importoval model do analytického softvéru Abaqus vo formáte x_t. Vzhľadom na zložitú štruktúru rámu auta, aby sa zjednodušili výpočty a zachovala presnosť analýzy, vynechali malé detaily, ako sú spoje, zvary, skrutky a skosenia. Hlavná konštrukcia bola potom premenená na škrupinu a komponenty ako vratná kladka, bezpečnostná svorka a vodiaca pätka boli zjednodušené na pevné telesá. Nastavenia parametrov boli založené na skutočných prevádzkových normách výťahu, s výkonom trakčného motora 11,7 kW, hmotnosťou kabíny 1100 kg, menovitou rýchlosťou 1,75 m/s, menovitým zaťažením 1050 kg a výškou zdvihu 82,5 m. Na model boli aplikované horizontálne obmedzenia na simuláciu skutočnej hmotnosti, tlaku auta a záťažového tlaku, ktorý znáša rám auta. Na sieťovanie boli použité prvky S4R s veľkosťou oka 10 mm, výsledkom čoho bolo 590 350 uzlov a 431 287 prvkov, čo zaisťuje presnosť modelu.
Výsledky analýzy ukazujú, že pri menovitých prevádzkových podmienkach je maximálne napätie v ráme auta 138,9 MPa, čo je hlboko pod medzou klzu materiálu. Maximálne napätie nastáva pri kontakte medzi antivibračným kaučukom a bočnými nosníkmi rámu auta, čo vedie k lokalizovanej koncentrácii napätia v dôsledku kontaktnej kompresie. Táto koncentrovaná oblasť však pokrýva iba dva sieťové prvky a má minimálny vplyv na celkové namáhanie rámu auta. Výpočty ukazujú, že pomer medze klzu materiálu k 1,5-násobku bezpečnostného faktora je 156,7 MPa (235 MPa/1,5) a maximálne napätie 138,9 MPa spĺňa bezpečnostné požiadavky.
Pri 125 % preťažení vzrastie maximálne napätie v ráme auta na 296,2 MPa, opäť sústredené v kontaktnom bode medzi antivibračnou gumou a bočnými nosníkmi rámu auta. Oblasť koncentrácie napätia sa rozširuje na štyri bunky mriežky, ale jej vplyv na celkové štrukturálne napätie je stále obmedzený. Okrem oblasti koncentrácie napätia je maximálne napätie v ostatných oblastiach 166,4 MPa. Hoci je nižšia ako medza klzu materiálu, nespĺňa požiadavku 1,5-násobku bezpečnostného faktora. Okrem toho maximálny kumulatívny posun rámu auta je 9,5 mm, čo si vyžaduje, aby sa pri skutočnom používaní zabránilo dlhodobému{10} preťaženiu.
1.2 Dynamická analýza: Overenie bezpečnosti konštrukcie v extrémnych prevádzkových podmienkach
Dynamická analýza sa zameriava na extrémne rizikové podmienky pri prevádzke výťahu-nadol a núdzové brzdenie. Za týchto podmienok sa v priebehu času dynamicky mení rýchlosť a zrýchlenie rámu auta. Prechodné dynamické simulácie sa vykonávajú pomocou modulu Abaqus Explicit. Počiatočná rýchlosť je kontaktná rýchlosť medzi nárazníkom a rámom auta a amplitúda skutočnej zmeny rýchlosti počas prevádzky je vstupom na simuláciu dynamickej odozvy na namáhanie konštrukcie.
Výsledky simulácie ukazujú, že keď sa auto dostane na dno, na kontaktnom mieste medzi nárazníkom a rámom auta dochádza k veľkým koncentráciám napätia a niektoré komponenty podliehajú plastickej deformácii v dôsledku nadmerného napätia. V čase 0,084 sekundy po dosiahnutí dna dosiahne maximálne napätie v bode nárazu 248,2 MPa. To síce nepresahuje medzu pevnosti materiálu 400 MPa a zabraňuje celkovému zlyhaniu konštrukcie, ale rám auta stráca svoju schopnosť normálnej prevádzky. Preto sú pri návrhu a prevádzke výťahu nevyhnutné komplexné bezpečnostné ochranné systémy, aby sa zabránilo pádu kabíny. V podmienkach núdzového brzdenia je maximálna hodnota napätia rámu automobilu 229,1 MPa, čo je nižšie ako medza klzu materiálu, a rozsah pôsobenia napätia je malý, čo neohrozí konštrukčnú bezpečnosť. To ukazuje, že systém núdzového brzdenia výťahu môže účinne zabezpečiť stabilitu konštrukcie rámu kabíny.
2. Optimalizačný dizajn horného priečneho nosníka rámu auta: ľahké riešenie v praxi
Na základe výsledkov mechanickej analýzy výskumný tím zistil, že celkové namáhanie rámu auta spĺňalo bezpečnostné požiadavky a malo významné bezpečnostné rezervy počas bežnej prevádzky, čo naznačuje potenciál pre optimalizáciu odľahčenia. Ďalšia analýza rozloženia napätia každého komponentu identifikovala horný priečny nosník ako cieľ optimalizácie jadra-, jeho hodnoty napätia za rôznych prevádzkových podmienok boli hlboko pod limitom materiálu, čo naznačuje najväčší potenciál optimalizácie.
2.1 Stanovenie optimalizačných premenných a metód
Vzhľadom na stabilitu celkového konštrukčného usporiadania rámu auta sme sa rozhodli nemeniť kľúčové rozmery, ako je dĺžka, výška ohybu a celková výška horného priečnika. Zamerali sme sa výlučne na hrúbku horného priečnika ako jedinú optimalizačnú premennú, aby sme predišli ovplyvneniu rovnováhy napätia iných komponentov v dôsledku štrukturálnych úprav. Metóda optimalizácie využívala prístup „postupného-zmenšovania{3}}krokov“, pričom sa začalo s pôvodnou hrúbkou 6 mm a hrúbka sa zmenšovala po 0,5 mm. Prostredníctvom viacerých simulačných analýz sme overili namáhanie a bezpečnostný stav horného priečnika s rôznymi hrúbkami, pričom sme nakoniec vybrali optimálne riešenie.
2.2 Porovnanie výkonu a kvality pred a po optimalizácii
Viacnásobné simulačné overovanie potvrdilo, že zmenšením hrúbky horného priečneho nosníka zo 6 mm na 4 mm sa dosiahla optimálna rovnováha medzi konštrukčným výkonom a odľahčením. Pokiaľ ide o namáhanie, maximálne napätie horného priečneho nosníka pred optimalizáciou bolo iba 17,08 MPa, čo je výrazne pod medzou klzu materiálu. Po optimalizácii sa maximálne napätie zvýšilo na 139,5 MPa, stále pod bezpečnostným prahom 156,7 MPa, čo spĺňa požiadavku 1,5-násobku bezpečnostného faktora a vykazuje stabilné a spoľahlivé mechanické vlastnosti.
Pokiaľ ide o odľahčenie a kontrolu nákladov, po optimalizácii sa hmotnosť jedného horného priečneho nosníka znížila z 29,95 kg na 22,46 kg, čo predstavuje zníženie hmotnosti o 7,49 kg na jeden nosník a stupeň odľahčenia o 25 %. Znížená hmotnosť horného priečneho nosníka tiež nepriamo znižuje celkové zaťaženie-nosného zaťaženia rámu automobilu, čím sa ďalej optimalizuje stav namáhania celého systému automobilu a vytvára sa účinný cyklus „ľahkej - nízkej záťaže - väčšej bezpečnosti“.
3. Závery výskumu a hodnota odvetvia
Tento výskum optimalizovaného návrhu konštrukcie rámu kabíny trakčného výťahu prostredníctvom vedeckej mechanickej analýzy a presnej optimalizácie parametrov priniesol tieto kľúčové závery: Po prvé, maximálne napätie v ráme kabíny pri menovitých prevádzkových podmienkach bolo 138,9 MPa a maximálne napätie v nekoncentrovaných oblastiach pri podmienkach preťaženia bolo 166,4 MPa, pričom obe spĺňali základné mechanické požiadavky. Po druhé, konštrukcia neutrpela celkové poškodenie pri nakláňaní auta a podmienkach núdzového brzdenia, ale riziko pádu auta zostáva problémom. Po tretie, optimalizáciou hrúbky horného priečneho nosníka zo 6 mm na 4 mm sa zachovala bezpečnosť pri dosiahnutí cieľa odľahčenia o 25 %.
Z pohľadu odvetvia poskytuje tento prieskum výrobcom výťahov praktické riešenie na{0}}úsporu nákladov a efektivitu{1}}. Znížením hrúbky horného priečneho nosníka môžu výrobcovia priamo znížiť použitie surovín, ako je oceľ, čím sa znížia výrobné náklady. Okrem toho, ľahký rám kabíny znižuje spotrebu energie počas prevádzky výťahu, čím zlepšuje celkovú energetickú účinnosť zariadenia. Okrem toho metóda „mechanickej analýzy -premennej skríningu - krok{7}}optimalizácie{8}}po jednotlivých krokoch“ použitá vo výskume tiež poskytuje referenčnú paradigmu pre optimalizovaný návrh iných konštrukčných komponentov vo výťahovom priemysle, podporuje transformáciu odvetvia z „empirického dizajnu“ na „údaje{9}}riadený dizajn“ a pomáha výťahové produkty dosahujú vyššiu úroveň rovnováhy medzi bezpečnosťou a hospodárnosťou.
