王云哲，胡浩亮（寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315600）

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門座起重機臂架系統(tǒng)剛柔耦合動力學仿真分析

王云哲，胡浩亮
（寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315600）

摘要：面向港口運輸業(yè)等領域對門座起重機的重大需求，本文擬對門座起重機臂架系統(tǒng)動力學特性開展研究。針對起重機臂架系統(tǒng)的變形復雜性，借助 SolidWorks、ADAMS、ANSYS軟件平臺，運用剛柔耦合建模方法對門座起重機臂架系統(tǒng)在不同工況下進行動力學仿真，得到相關的仿真分析數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)門座起重機臂架系統(tǒng)動態(tài)設計及優(yōu)化奠定理論基礎。

關鍵詞：門座起重機；臂架系統(tǒng)；剛柔耦合；動力學仿真

引 言

現(xiàn)有的文獻［1～4］表明，門座起重機臂架系統(tǒng)的設計大多依靠經(jīng)驗法和經(jīng)典靜態(tài)設計方法，將臂架系統(tǒng)中所有的部件假定為剛體，導致起重機結構強度具有很大的富裕。此外，組成臂架系統(tǒng)的部件尺寸一般較大，柔性較大，部件的彈性變形對臂架系統(tǒng)動態(tài)性能的影響也不容忽視［5～6］，致使如何處理部件位移運動和彈性變形二者之間的耦合成為優(yōu)化起重機設計所亟待解決的關鍵問題［7～8］。

針對上述問題，本文以40 t/33 m門座起重機臂架系統(tǒng)為典型對象，對起重機臂架系統(tǒng)動力學特性開展研究。首先，借助三維軟件建立起重機臂架系統(tǒng)虛擬樣機。進而，運用剛柔耦合的建模方法對起重機臂架系統(tǒng)在變幅和變幅+回轉這兩種工況下進行動力學仿真。最后，提取所得參數(shù)變化曲線，以此來分析臂架系統(tǒng)運動過程中部件間鉸點力的變化情況，并找出鉸點力的最大值和其所對應的時間與工況，為將來實現(xiàn)門座起重機臂架系統(tǒng)動態(tài)設計提供理論基礎。

1 臂架系統(tǒng)剛體模型建立

起重機臂架系統(tǒng)結構型式一般可分為四連桿組合臂架和單臂架式兩類。其中前者應用相對廣泛，本文主要研究40 t/33 m門座起重機四連桿組合臂架系統(tǒng)。整機性能參數(shù)如表1所示。

表1 門座起重機性能參數(shù)

由于ADAMS軟件的三維建模功能相對較弱，借助 SolidWorks軟件建立臂架系統(tǒng)各部件剛體模型并裝配，以.x_t為后綴的Parasolid格式將模型導入ADAMS中，建立門起重機臂架系統(tǒng)在ADAMS中的多剛體虛擬樣機如圖1所示。

圖1 起重機臂架系統(tǒng)剛體模型

2 臂架系統(tǒng)剛柔耦合模型建立

剛性體和柔性體并沒有絕對的界限，一般的劃分原則是：變形小、剛度強的構件假定為剛體，變形大、剛度差的構件假定為柔性體。結合本文研究所關心的問題和實際的工程情況，相對于其他構件，象鼻梁受力比較復雜、變形比較大，故選擇將臂架系統(tǒng)中象鼻梁設定為柔性體，其他組成構件假定為剛體。這樣方便觀察象鼻梁結構件的剛度和動態(tài)特性。

2.1 象鼻梁模態(tài)分析

為生成象鼻梁柔性體，將SolidWorks中象鼻梁的剛體模型通過轉化成.x_t文件并導入ANSYS中建立有限元模型，根據(jù)模態(tài)分析的有限元法，利用ANSYS軟件對象鼻梁進行模態(tài)分析。由振動理論可知，較低階固有頻率所對應的振型對系統(tǒng)的振動過程起主要作用。此外，由于結構中存在阻尼等因素，高頻所對應的振型將迅速衰減，所以沒有必要求解太高階的頻率。本文求解象鼻梁前四階模態(tài)參數(shù)，并提取固有頻率和對應的振型如圖2所示。

圖2 象鼻梁模態(tài)分析

由圖2可知，前三階固有頻率對應的振型在變幅平面和回轉平面內擺動；第四階固有頻率對應的振型開始出現(xiàn)扭擺。因此，可認為前三階動態(tài)特性是象鼻梁的基頻，對整機的起升、變幅和回轉運動產(chǎn)生較大的影響。

2.2 剛柔耦合建模

根據(jù)上述分析，導出ADAMS所需的前三階模態(tài)的中性文件MNF，替換ADAMS中象鼻梁剛性體，生成臂架系統(tǒng)剛柔耦合模型如圖3所示。

圖3 門座起重機剛柔耦合模型

3 門座起重機動力學仿真分析

在軟件ADAMS環(huán)境中，對40 t/33 m型門座起重機臂架系統(tǒng)剛柔耦合模型添加驅動、約束和力。臂架系統(tǒng)中各構件主要以相對轉動為主，因此添加旋轉副約束。具體情況如下：臂架和小拉桿、臂架和轉臺、臂架和象鼻梁之間各添加一個旋轉副；大拉桿和平衡梁、大拉桿和象鼻梁之間各添加一個旋轉副。分別在變幅和變幅+回轉兩種工況進行動力學仿真，提取象鼻梁鉸點處受力曲線。

3.1 變幅過程

起重機變幅過程是通過齒輪齒條驅動實現(xiàn)的。如圖4所示，在ADAMS中通過對臂架施加轉速驅動，具體加載函數(shù)表達式為：

step（time，0，0d，2，-90d）+step（time，40，0d，17，90d）

圖4 臂架系統(tǒng)變幅運動仿真過程

門座起重機變幅過程中，臂架系統(tǒng)中臂架與象鼻梁鉸點受力變化曲線如圖5所示。由圖5中可知，起重機象鼻梁鉸點力最小約為250 t。啟動時，由于重物具有水平慣性力，使鉸點力達到300 t。當變幅結束時，鉸點力會繼續(xù)變化，直至重物擺動結束。

圖5 變幅過程中臂架與象鼻梁鉸點受力曲線

門座起重機變幅過程中，臂架系統(tǒng)中大拉桿與象鼻梁鉸點受力變化曲線如圖6所示，由圖6中可知，啟動時，鉸點力達到了最大值，隨著幅度變化，鉸點力會逐漸減小。當變幅結束時，重物的偏擺使鉸點力在50～150 t之間變化。

圖6 變幅過程中大拉桿與象鼻梁鉸點受力曲線

3.2 變幅+回轉過程

回轉運動是通過添加在機器房與大地的轉動副上驅動實現(xiàn)的。如圖7所示，起重機處于最大幅度33 m，回轉速度為1.25 r/min。通過一個step函數(shù)，模擬回轉運動的啟動、運動、制動過程，同樣要控制鋼絲繩的偏擺角度。函數(shù)表達式為：

step（time，0，0d，4，-9d）+step（time，50，0d，8，9d）

圖7 臂架系統(tǒng)變幅+回轉運動仿真過程

變幅+回轉過程中臂架與象鼻梁鉸點的受力變化曲線如圖8所示。由圖8可知，鉸點力在最大幅度時約為350 t；啟動時，由于物品的水平慣性力，會使鉸點力突變達到400 t；當變幅結束時，由于重物的擺動，鉸點力會繼續(xù)變化。

圖8 變幅+回轉過程臂架上鉸點受力

變幅+回轉過程中大拉桿與象鼻梁鉸點的受力變化曲線如圖9所示。由圖9可知，鉸點的力在最大幅度時約為300 t，隨著幅度的減小，鉸點力很快衰減；當變幅結束時，物品的偏擺使鉸點力在75 ～125 t之間變化。

圖9 變幅+回轉過程大拉桿與象鼻梁鉸點受力

通過ADAMS的后處理功能，可形象的展示出不同工況下、不同時刻鉸點力的變化情況?；趧恿W仿真，可知在臂架系統(tǒng)運動過程中，鉸點力的大小主要受起重機自重、貨物偏擺載荷、風載荷和慣性載荷等因素的影響。變幅仿真過程中，臂架與象鼻梁鉸點、大拉桿與象鼻梁鉸點的最大值出現(xiàn)在最大幅度位置；而在變幅+回轉聯(lián)合仿真的過程中，最大力出現(xiàn)在啟制動、偏擺角最大時。

4 結 論

本文以40 t/33 m門座起重機臂架系統(tǒng)為研究對象，基于有限元素法和機械動力學理論，借助Solidworks、ANSYS軟件，完成了臂架系統(tǒng)中象鼻梁的模態(tài)分析。在此基礎上，建立臂架系統(tǒng)的剛柔耦合虛擬樣機模型，以ADAMS軟件為平臺，在變幅和變幅+回轉兩種工況下，對臂架系統(tǒng)進行動力學仿真分析，提取臂架系統(tǒng)關鍵部件象鼻梁鉸點的瞬態(tài)動力學響應曲線圖，并對曲線圖各個階段進行了分析，其仿真結果與臂架系統(tǒng)的實際受力相比，吻合度較高。此研究方法可為門座起重機臂架系統(tǒng)設計提供借鑒，同時，也為起重機強度校核提供一種新的思路。

參考文獻：

［1］ 李平，吳愛京，郭煒.MQ1625門座起重機門架結構動力學分析［J］.裝備制造技術，2015，13（2）：112-116.

［2］ 龔蘇生，徐長生.門座起重機剛柔耦合動力學仿真研究［J］.武漢理工大學學報：交通與工程版，2012，36（2）：419-423.

［3］ 上海港機重工有限公司.港口起重機設計規(guī)范［M］北京：人民交通出版社，2003.

［4］ 全國起重機械標準化技術委員會.B/T3811-2008起重機設計規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［5］ 李文杰，楊艷芳.虛擬樣機技術在門座起重機設計中的應用.武漢：湖北工業(yè)大學出版社，2009.

［6］ 鄭見粹.港口多用途門座起重機綜述［J］.港口裝卸，2000.

［7］ 胡曉光，隋允康，丁克勤.基于虛擬樣機的門式起重機動力學仿真分析.北京：科學導報，2010.

［8］ 李獻杰.門座起重機組合臂架系統(tǒng)強度和動力學分析［D］.大連交通大學，2008.

Dynamic Simulation Analysis on Rigid-flexible Coupling of Portal Crane Boom System

Wang Yunzhe，Hu Haoliang
（Ningbo Special Equipment Inspection Institute， Ningbo Zhejiang 315600， China）

Abstract：Portal crane is urgently required in the field of port transportation etc.， now an analysis is made for the dynamic characteristic of boom system adopted by portal crane.For deformation complexity of the boom system，a rigid-flexible coupling model has been established by relying on Solid Works， ADAMS and ANSYS software to carry out dynamics simulation of portal crane boom system under different work conditions.Relevant simulation analysis data are obtained， which serve as a theoretical foundation for realizing the dynamic design and optimization of portal crane boom system.

Key words：portal crane； boom system； rigid-flexible coupling； dynamic simulation

中圖分類號：U653.921

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）02-0020-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160205

收稿日期：2015-05-06

作者簡介：王云哲（1988-），男，本科，主要從事特種設備檢驗與研究等。