ככל שהאורבניזציה מואצת ומספר הבניינים הגבוהים-ממשיך לגדול, מעליות, כציוד ליבה לתחבורה אנכית, זוכות ליישום נרחב יותר ויותר. לפי הסטטיסטיקה של התעשייה, יש כמעט 1,000 יצרני מעליות במדינה שלי, והתחרות בשוק הולכת וגוברת. הפחתת עלויות והגברת היעילות באמצעות אופטימיזציה של מוצרים הפכו לנושא מרכזי בתעשייה. מעליות משיכה, כסוג המיינסטרים של מעליות, הבשילו את הטכנולוגיה התומכת שלהן לאחר מאה שנה של פיתוח. המבנה שלהם מורכב משמונה מערכות עיקריות: מערכת המתיחה, מערכת המכוניות ומערכת ההדרכה. מערכת המכונית נושאת ישירות את העומס, בעוד שלמסגרת המכונית, כמסגרת המבנית של המכונית, יש עיצוב המשפיע ישירות על ביצועי הבטיחות של המעלית ועלות הייצור. מסת מסגרת מכונית מוגזמת עלולה להוביל לבזבוז חומר ולעיצוב מיותר; בעוד שמשקל קל מדי עלול לא לעמוד בדרישות העומס, מהווה סכנה בטיחותית.
ביצענו מחקר אופטימיזציה על מבנה מסגרת קרון מעלית המתיחה, תוך שימוש בתוכנת סימולציה מספרית לניתוח הסטטיקה והדינמיקה של המסגרת. גישה זו מאפשרת לנו להשיג עיצוב קל משקל תוך הבטחת בטיחות מבנית, מתן פתרון מעשי לשיפור היעילות הכלכלית עבור ארגונים.
1. ניתוח מכאני של מסגרת מכונית מעלית: הבסיס לתכנון אופטימיזציה
כדי להבטיח את פתרון האופטימיזציה המדעי והאמין, צוות המחקר השתמש לראשונה בתוכנת סימולציה מספרית מקצועית כדי לבצע ניתוח מקיף של המאפיינים המכניים של מסגרת קרון המעלית בתנאי הפעלה שונים, תוך מתן תמיכה בנתונים לתכנון קל משקל שלאחר מכן.
1.1 ניתוח סטטי: ביצועי מתח בתנאי מדורג ועומס יתר
הניתוח הסטטי התמקד בתנאי ההפעלה המדורגים ובתנאי עומס יתר קיצוניים של פעולת מעלית רגילה. מטרת הליבה שלו הייתה לדמות את חלוקת המתח ותזוזה של מסגרת המכונית על ידי הקמת מודל מבני מדויק. במהלך המחקר, הצוות בנה תחילה מודל מבני תלת מימדי של מסגרת המכונית באמצעות תוכנת SolidWorks ולאחר מכן ייבא את המודל לתוכנת הניתוח של Abaqus בפורמט x_t. בהתחשב במבנה המורכב של מסגרת המכונית, כדי לפשט את החישובים ולשמור על דיוק הניתוח, הם השמיטו פרטים קטנים כמו חיבורים, ריתוכים, ברגים וגיחות. המבנה הראשי הוסב לאחר מכן למעטפת, ורכיבים כמו גלגלת ההחזרה, מהדק הבטיחות ונעל ההנחיה פשטו לגופים קשיחים. הגדרות הפרמטרים התבססו על תקני תפעול בפועל של מעלית, עם הספק מנוע מתיחה של 11.7kW, משקל מכונית של 1100 ק"ג, מהירות מדורגת של 1.75 מטר/שניה, עומס מדורג של 1050 ק"ג וגובה הרמה של 82.5 מטר. אילוצים אופקיים הוחלו על המודל כדי לדמות את המשקל בפועל, לחץ המכונית ולחץ העומס שנושאים על ידי מסגרת המכונית. רכיבי S4R שימשו לרשת, עם גודל רשת של 10 מ"מ, וכתוצאה מכך 590,350 צמתים ו-431,287 אלמנטים, מה שמבטיח דיוק המודל.
תוצאות הניתוח מראות כי בתנאי הפעלה מדורגים, הלחץ המרבי שלדת המכונית הוא 138.9MPa, הרבה מתחת למתח התפוקה של החומר. הלחץ המרבי מתרחש במגע בין הגומי נגד-רעידות לבין קורות הצד של מסגרת המכונית, וכתוצאה מכך ריכוז מתח מקומי עקב דחיסת מגע. עם זאת, אזור מרוכז זה מכסה רק שני רכיבי רשת ויש לו השפעה מינימלית על הלחץ הכולל של מסגרת המכונית. חישובים מראים כי היחס בין מתח הניב של החומר למקדם בטיחות של פי 1.5 הוא 156.7 MPa (235 MPa/1.5), והמתח המרבי של 138.9 MPa עומד בדרישות הבטיחות.
במצב עומס יתר של 125%, הלחץ המרבי בשלדת המכונית עולה ל-296.2 MPa, שוב מרוכז בנקודת המגע בין הגומי נגד-רעידות לבין קורות הצד של מסגרת המכונית. אזור ריכוז המתח מתרחב לארבעה תאי רשת, אך השפעתו על המתח המבני הכולל עדיין מוגבלת. מלבד אזור ריכוז המתח, המתח המרבי בשטחים הנותרים הוא 166.4 MPa. למרות שהוא נמוך מחוזק התפוקה של החומר, הוא נופל מהדרישה של פי 1.5 מקדם הבטיחות. יתר על כן, התזוזה המצטברת המקסימלית של מסגרת המכונית היא 9.5 מ"מ, מה שמחייב הימנעות מפעולת עומס יתר לטווח ארוך בשימוש בפועל.
1.2 ניתוח דינמי: אימות בטיחות מבנית בתנאי הפעלה קיצוניים
הניתוח הדינמי מתמקד בתנאי סיכון קיצוניים במהלך הפעלת מעלית-הורדת המכונית ובלימת חירום. בתנאים אלה, המהירות והתאוצה של המכונית משתנים באופן דינמי לאורך זמן. סימולציות דינמיות חולפות מבוצעות באמצעות מודול Abaqus Explicit. המהירות ההתחלתית היא מהירות המגע בין המאגר למסגרת המכונית, ומשרעת שינוי המהירות בפועל במהלך הפעולה מוזנת כדי לדמות את תגובת הלחץ הדינמית של המבנה.
תוצאות הסימולציה מראות שכאשר המכונית יורדת, מתרחשים ריכוזי מתח גבוהים בנקודת המגע בין המאגר למסגרת המכונית, וחלק מהרכיבים עוברים דפורמציה פלסטית עקב מתח מוגזם. ב-0.084 שניות לאחר השפל, הלחץ המרבי בנקודת הפגיעה מגיע ל-248.2 MPa. אמנם זה אינו חורג ממגבלת החוזק של החומר של 400 MPa ומונע כשל מבני כולל, מסגרת המכונית מאבדת את יכולתה לפעול כרגיל. לכן, מערכות מיגון בטיחות מקיפות חיוניות בתכנון ותפעול המעלית למניעת תחתית המכונית. בתנאי בלימת חירום, ערך הלחץ המרבי של מסגרת המכונית הוא 229.1MPa, הנמוך ממתח התפוקה של החומר, וטווח פעולת המאמץ קטן, מה שלא יהווה איום על הבטיחות המבנית. זה מראה שמערכת בלימת החירום של המעלית יכולה להבטיח ביעילות את היציבות של מבנה מסגרת המכונית.
2. עיצוב אופטימיזציה של הקורה הצולבת העליונה של מסגרת המכונית: פתרון קל משקל בפעולה
בהתבסס על תוצאות ניתוח מכאני, צוות המחקר מצא שהמתח הכולל של מסגרת המכונית עמד בדרישות הבטיחות והיו לו מרווחי בטיחות משמעותיים במהלך פעולה רגילה, מה שמצביע על פוטנציאל לאופטימיזציה קלת משקל. ניתוח נוסף של התפלגות המתח של כל רכיב זיהה את הקורה הצולבת העליונה כיעד האופטימיזציה הליבה-ערכי המתח שלה בתנאי הפעלה שונים היו הרבה מתחת לגבול החומר, מה שמצביע על פוטנציאל האופטימיזציה הגדול ביותר.
2.1 קביעת משתני ושיטות אופטימיזציה
בהתחשב ביציבות הפריסה המבנית הכוללת של מסגרת המכונית, החלטנו לא לשנות ממדי מפתח כגון אורך, גובה עיקול וגובה כללי של הקורה הצולבת העליונה. התמקדנו אך ורק בעובי הקורה הצולבת העליונה כמשתנה האופטימיזציה הבלעדי כדי למנוע השפעה על איזון המתח של רכיבים אחרים עקב התאמות מבניות. שיטת האופטימיזציה השתמשה בגישה של "צעד-צמצום-שלב", החל בעובי מקורי של 6 מ"מ והקטנת העובי ב-0.5 מ"מ בכל פעם. באמצעות ניתוחי סימולציה מרובים, אימתנו את ביצועי המתח ומצב הבטיחות של הקורה הצולבת העליונה בעוביים משתנים, ובסופו של דבר בחרנו את הפתרון האופטימלי.
2.2 השוואת ביצועים ואיכות לפני ואחרי אופטימיזציה
סבבים מרובים של אימות סימולציה אישרו כי הפחתת עובי הקורה הצולבת העליונה מ-6 מ"מ ל-4 מ"מ השיגה את האיזון האופטימלי בין ביצועים מבניים וקלות משקל. במונחים של ביצועי מתח, המתח המרבי של הקורה הצולבת העליונה לפני האופטימיזציה היה רק 17.08MPa, הרבה מתחת לחוזק התפוקה של החומר. לאחר אופטימיזציה, המתח המרבי עלה ל-139.5MPa, עדיין מתחת לסף הבטיחות של 156.7MPa, עומד בדרישת מקדם הבטיחות פי 1.5 ומפגין תכונות מכניות יציבות ואמינות.
במונחים של קלות משקל ובקרת עלויות, לאחר אופטימיזציה, המסה של קורת צולבת בודדת הופחתה מ-29.95 ק"ג ל-22.46 ק"ג, הפחתת משקל של 7.49 ק"ג לקורה, ודרגת משקל קל של 25%. המסה המופחתת של הקורה הצולבת העליונה מפחיתה בעקיפין גם את העומס הכולל-של מסגרת המכונית, מה שמייעל עוד יותר את מצב הלחץ של מערכת המכונית כולה, ויוצר מחזור טוב של "קל משקל - עומס נמוך - בטיחות רבה יותר".
3. מסקנות מחקר וערך תעשייתי
מחקר זה על תכנון אופטימלי של מבנה מסגרת מכונית מעלית המתיחה, באמצעות ניתוח מכני מדעי ואופטימיזציה של פרמטרים מדויקת, העלה את המסקנות העיקריות הבאות: ראשית, הלחץ המרבי במסגרת המכונית בתנאי הפעלה מדורגים היה 138.9 MPa, והמתח המרבי באזורים לא-מרוכזים בתנאי עומס יתר של 4 MPa היה 166. שנית, למבנה לא נגרם נזק כולל בתנאי תחתית המכונית ובלימת חירום, אך הסיכון של תחתית המכונית נותר חשש. שלישית, על ידי אופטימיזציה של עובי הקורה הצולבת העליונה מ-6 מ"מ ל-4 מ"מ, ביצועי הבטיחות נשמרו תוך השגת יעד קל משקל של 25%.
מנקודת מבט של התעשייה, מחקר זה מספק ליצרני מעליות פתרון מעשי-לחיסכון ויעילות-לשיפור. על ידי הפחתת עובי הקורה העליונה, היצרנים יכולים להפחית ישירות את השימוש בחומרי גלם כגון פלדה, ובכך להוזיל את עלויות הייצור. יתר על כן, מסגרת המכונית הקלה מפחיתה את צריכת האנרגיה במהלך פעולת המעלית, ומשפרת את היעילות האנרגטית הכוללת של הציוד. בנוסף, שיטת "ניתוח מכני - סינון משתנה - שלב-}אחר-אופטימיזציה שלב" המשמשת במחקר מספקת גם פרדיגמת התייחסות לתכנון אופטימלי של רכיבים מבניים אחרים בתעשיית המעליות, ומקדמת את הטרנספורמציה של התעשייה מ"תכנון אמפירי" ל"תכנון מונע-. עוזר למוצרי מעליות להשיג רמה גבוהה יותר של איזון בין בטיחות לחיסכון.
