門式起重機(jī)虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)力學(xué)仿真

門式起重機(jī)虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)力學(xué)仿真摘要：研究了門式起重機(jī)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)的建模方法，根據(jù)剛性體部件、柔性體部件和鋼絲繩的特點(diǎn)，分別給出了不同的建模方法。通過對(duì)起升工況和大車運(yùn)行工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到了整機(jī)的位移時(shí)間歷程、動(dòng)應(yīng)力以及各連接件之間的作用力等，較真實(shí)地反映了門式起重機(jī)在作業(yè)過程中的動(dòng)態(tài)特性。起重機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)的過程中，承受著強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng),這種沖擊振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷在起重機(jī)運(yùn)行過程中的影響是必須加以考慮的。長期以來，在起重機(jī)設(shè)計(jì)中都是將動(dòng)態(tài)問題簡化為靜態(tài)問題處理，一些國家和國際起重機(jī)協(xié)會(huì)的起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范均采用一個(gè)動(dòng)載系數(shù)花來考慮這種動(dòng)態(tài)載荷。其最大的缺陷是不能夠較為準(zhǔn)確地反映起重機(jī)實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)性能。近年來，國內(nèi)外不少研究者根據(jù)起重機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)及受載特點(diǎn)，對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行了大量的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算和研究分析,使動(dòng)態(tài)仿真方法逐步應(yīng)用于起重機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析中。本文主要探討將虛擬樣機(jī)技術(shù)運(yùn)用于起重量為250t的門式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，就門式起重機(jī)的起升工況和大車運(yùn)行工況進(jìn)行仿真研究，探索建立門式起重機(jī)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)的方法。門式起重機(jī)的虛擬樣機(jī)的建模:門式起重機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。主要由小車、門架結(jié)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、副機(jī)房、司機(jī)室、測(cè)風(fēng)裝置和欄桿梯子平臺(tái)等組成。門式起重機(jī)的門架結(jié)構(gòu)的主梁和支腿均采用箱型焊接結(jié)構(gòu)，主梁和支腿之間通過法蘭盤連接。小車位于門架主梁的軌道上,主起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)放置于小車上。副機(jī)房固定在門架主梁的伸出端，其作用是控制副起升。1.副機(jī)房2.小車3.測(cè)風(fēng)裝置4,主吊鉤5.司機(jī)室6.大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)7,欄桿梯子平臺(tái)8.副吊鉤9.門架結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈祥T式起重機(jī)模型:本文建立的門式起重機(jī)模型是剛?cè)狁詈系奶摂M樣機(jī)模型。采用Pro/E建立門式起重機(jī)中的剛體部件，然后導(dǎo)入ADAMS。柔性體部件的建立(見圖2)是采用ANSYS有限元分析計(jì)算軟件，有限元模型一般采用建立剛性節(jié)點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)柔性體與外部構(gòu)件之間的連接。如圖2中的10個(gè)外部節(jié)點(diǎn)即為在ADAMS中的聯(lián)接點(diǎn),其中，1?4處裝配大車車輪;5?9處裝配小車系統(tǒng);7、10處裝配副機(jī)房。ANSYS中的柔性體通過mnf.中性文件導(dǎo)入ADAMS中。圖2門架結(jié)構(gòu)的有限元模型鋼絲繩是起重機(jī)的主要撓性構(gòu)件。鋼絲繩在ADAMS中的建模方法是用一段段的圓柱體通過軸套力(Bushing)連接來模擬鋼絲繩的。這種方法較真實(shí)地反映了鋼絲繩的拉伸、彎曲等力學(xué)性能，但分段很多，計(jì)算規(guī)模較大。在很多情況下，鋼絲繩彈性對(duì)系統(tǒng)影響很小或只有拉伸的影響，因此可以簡單地用一個(gè)彈簧阻尼器來模擬。本文采用的就是這種方法。本模型中的鋼絲繩由3段圓柱體結(jié)合Joint生成，上兩段圓柱體之間施加了一個(gè)移動(dòng)副，對(duì)其施加運(yùn)動(dòng)函數(shù)，用于模擬鋼絲繩的起升運(yùn)動(dòng);下兩段圓柱體之間施加了一個(gè)彈簧力，賦予剛度和阻尼屬性，模擬鋼絲繩的動(dòng)力學(xué)性能。當(dāng)剛性體部件、柔性體部件和鋼絲繩等都導(dǎo)入ADAMS后，添加相應(yīng)的約束和載荷，就生成了門式起重機(jī)的整機(jī)模型，見圖3,通過對(duì)整機(jī)進(jìn)行仿真，即可輸出仿真分析結(jié)果。

圖3門式起重機(jī)虛擬樣機(jī)模型起升工況的動(dòng)力學(xué)仿真分析整個(gè)起升過程，在起升機(jī)構(gòu)剛起動(dòng)的瞬間，繩索系統(tǒng)是松弛的，因此起升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的第1階段是在空轉(zhuǎn)，這時(shí)松弛的繩索被收緊;當(dāng)繩索開始受力時(shí),這一階段結(jié)束，這時(shí)ml具有一定的速度，而m0、m2還處于靜止?fàn)顟B(tài)。從繩索受力開始直至滑輪組的彈性張力等于荷載重力Q為止,這是運(yùn)動(dòng)的第2階段。在這一階段中，m2還處于靜止?fàn)顟B(tài)，而ml和m0則在滑輪組彈性力和門架主梁彈性力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，這一階段鋼絲繩的彈性力將從零增大到Q［1］。第3階段從吊重離地瞬間開始［2、3］。它的計(jì)算模型簡化為圖4。圖4中m0為小車系統(tǒng)的推算質(zhì)量;k0為主梁的剛度系數(shù)；ml為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)構(gòu)中所有運(yùn)動(dòng)部分的推算質(zhì)量；m2為吊重的質(zhì)量;k為鋼絲繩的剛度系數(shù)；P為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力；s0、s1、s2分別表示質(zhì)量m0、ml、m2的位移。ml、m2的位移。//////.7?圖4起升機(jī)構(gòu)的計(jì)算模型由拉格朗日方程［4］可以得到m0、ml、m2的3個(gè)運(yùn)動(dòng)微分方求解該方程組可以計(jì)算出該三質(zhì)量二自由度的完整解。但考慮到m0的動(dòng)變形與靜變形相差很少，故不考慮m0的運(yùn)動(dòng)方程，系統(tǒng)簡化為二質(zhì)量一自由度系統(tǒng)。在吊重離地的瞬間，ml的速度為v,m2的速度為零,可解得鋼絲繩（及傳動(dòng)系統(tǒng)）的力FF=0+kf況-5))=kAsillt+8?一=(P-Q)-Q, +也2 -為： 一

離地起升工況中鋼絲繩的受力情況可以用以下方程組表示：［| ,--..?,?妙■ * -F=ks（t） tC［Qftx）F=Q+kA'sin仙f+為+ (P-Q)tC[tift>)mi+州？F=Q 強(qiáng)伉“fl?2z t 廠F=Q+ ' (-Pz-Q)(\-co^)t)tt[4h)=Q 強(qiáng)3,R其中，［0,t1）為離地之前的時(shí)間；s（t）為離地之前鋼絲繩隨時(shí)間的伸長量；［t1,t2）為從離地開始到平穩(wěn)上升之間的時(shí)間；［t2,t3）為平穩(wěn)上升的時(shí)間；［t3,t4）為從制動(dòng)開始到靜止的時(shí)間。該方程組的曲線形式見圖5。Q+U圖5Q+U圖5吊重離地起升工況的動(dòng)載荷理論曲線2.1.2起升制動(dòng)工況計(jì)算下面討論起升機(jī)構(gòu)在上升平穩(wěn)后制動(dòng)工況時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)載荷計(jì)算。起重機(jī)在這種工況時(shí)，受到起升機(jī)構(gòu)中電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力Pz的作用。同樣可解得鋼絲繩（包括傳動(dòng)系統(tǒng)）的力F—Q k=Q- ~~為： '：-'<2.2起升工況的仿真分析[5]

Pz-Q)(1-cost^t)對(duì)于門式起重機(jī)的離地起升工況，在ADAMS所建虛擬樣機(jī)中實(shí)現(xiàn)方法是，首先吊重靜止放在地面上，地面與吊重之間施加接觸力，初始接觸力等于吊重重力，即鋼絲繩尚未提供拉力，然后拉動(dòng)起升鋼絲繩上端將其提起，平穩(wěn)上升后，對(duì)其制動(dòng)。根據(jù)實(shí)際情況給鋼絲繩上端施加描述起升運(yùn)動(dòng)的函數(shù)。2.2.1模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)置根據(jù)電機(jī)選型后的起制動(dòng)時(shí)間驗(yàn)算，得到啟動(dòng)過程為0.98s,制動(dòng)過程為1.01s。起升運(yùn)動(dòng)函數(shù)的加速度曲線見圖6。圖6鋼絲繩的起升加速度曲線鋼絲繩的剛度則可以通過虎克定律計(jì)算得到。2.2.2起升工況仿真結(jié)果在仿真起始時(shí)首先做靜平衡分析。然后模擬起升運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副拉動(dòng)鋼絲繩上端將吊重拉離地面，得到平穩(wěn)上升中的變形云圖和應(yīng)力云圖，可知起升工況中門架的最大應(yīng)力為129.06MPa。門架的變形曲線圖和應(yīng)力曲線圖見圖7、圖8。

CtsneTranslstionaiDeiormefttonY-1-1-2-2-3-37門架振動(dòng)的變形曲線CtsneTranslstionaiDeiormefttonY-1-1-2-2-3-35工8門架振動(dòng)的最大應(yīng)力曲線50E*006圖9中的實(shí)線為吊重起升過程中鋼絲繩的受力情況，虛線為起升瞬間地面對(duì)吊重的接觸力變0E*006化曲線。圖9鋼絲繩張力與地面接觸力曲線由圖9可以看出，在1.38s時(shí),吊重離開地面，此時(shí)鋼絲繩承受較大的沖擊力,其最大拉力為1.33x10*。在5s時(shí)，起升過程開始制動(dòng)，此時(shí)鋼絲繩的張力有一個(gè)較大的波動(dòng)。

=一L33X10”_=]086=一L33X10”_=]086mg/2250XI0土X9.8/2數(shù)冷為：此外，通過仿真還可以得到機(jī)構(gòu)中各部件的速度曲線、加速度曲線及相互之間的作用力等。3大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，懸吊著的吊重將會(huì)擺動(dòng)。吊重?cái)[動(dòng)時(shí)，將會(huì)對(duì)起重機(jī)產(chǎn)生附加的水平力。3.1大車運(yùn)行工況計(jì)算理論3.1.1大車運(yùn)行啟動(dòng)工況計(jì)算圖10為大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的示意圖，圖11所示的三質(zhì)量二自由度的彈性系統(tǒng)為大車運(yùn)行機(jī)圖10大車運(yùn)行啟動(dòng)工況示意圖構(gòu)的簡化系統(tǒng)。圖11大車運(yùn)行啟動(dòng)工況簡圖計(jì)算模型中的參數(shù)說明如下：m0為起重機(jī)大車的推算質(zhì)量；ml為大車傳動(dòng)系統(tǒng)的推算質(zhì)量;m2為吊重的質(zhì)量;k01為大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)高速部分的剛度系數(shù);l為吊重起升時(shí)鋼絲繩的長度;k20為吊重?cái)[動(dòng)的剛度系數(shù),k20=Q/l=m2g/l;P為大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力;W為大車的運(yùn)行靜阻力；s0、s1、s2分別為質(zhì)量m0、ml、m2的位移。由于高速部分的剛性系數(shù)k01比吊重?cái)[動(dòng)的剛性系數(shù)k20大得多。因此可以用一個(gè)二質(zhì)量一自由度的系統(tǒng)來解決吊重的擺動(dòng)問題，見圖12。圖12大車運(yùn)行啟動(dòng)工況計(jì)算簡圖

由拉格朗日方程得到運(yùn)動(dòng)微分方程Co+叫iJ7+服)，為■筮，=p-w&-dSm工2~^20『?免■力/=°組:Idr已知s0-s2為吊重與大車之間的相對(duì)擺幅，因此可以解得擺動(dòng)的水平力為:式!(]Nq一+用“相3=I中，3.1.2大車運(yùn)行制動(dòng)工況計(jì)算門式起重機(jī)在大車運(yùn)行制動(dòng)時(shí)，受到運(yùn)行機(jī)構(gòu)中電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力Pz的作用。此處亦將系統(tǒng)簡化為二質(zhì)量一自由度系統(tǒng)，見圖13。圖此處亦將系統(tǒng)簡化為二質(zhì)量一自由度系統(tǒng)，見圖13。圖13大車運(yùn)行制動(dòng)工況計(jì)算簡圖同樣，解得擺動(dòng)的水平力F=龍°<-%-S)為：ricoscot)大車運(yùn)行工況中的水平動(dòng)載荷,可以用以下方程組表TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"（P-W） 廣f= ■co女te［如<f=o $em〃）\o"CurrentDocument"血（-P--W） 廠F= H-coswr;*-［.、&］\o"CurrentDocument"示人 5—的 一’其中，［0,t1）為大車運(yùn)行起動(dòng)的時(shí)間；［t1,t2）為大車平穩(wěn)運(yùn)行的時(shí)間；［t2,t3］為大車運(yùn)行制動(dòng)的時(shí)間。該方程組的曲線形式見圖14。圖14圖14大車運(yùn)行工況中的水平動(dòng)載荷理論曲線3.2大車運(yùn)行工況的仿真分析10.010.0在仿真起始時(shí)首先做靜平衡分析。對(duì)大車和大車軌道之間施加移動(dòng)副,對(duì)該移動(dòng)副賦予加速度函數(shù)。根據(jù)電機(jī)選型后的起制動(dòng)時(shí)間驗(yàn)算,得到啟動(dòng)過程為3.6s,制動(dòng)過程為4.3s。由大車運(yùn)行的變形云圖和應(yīng)力云圖可知大車運(yùn)行過程中門架的最大應(yīng)力為129.35MPa。門架的豎直方向的變形曲線見圖15，圖中實(shí)線表示前主梁的豎直方向變形，虛線表示后主梁“MAKKER.149.151TranslfltC'r^|_DefcrTTiatioriY3拍 七岫牝— 的豎直方向的變形。圖15大車運(yùn)行的豎直方向變形曲線門架水平方向的變形曲線見圖16，由圖可知前后主梁的水平方向變形一致。

MARKERjl4導(dǎo)J MARKERjl4導(dǎo)J TrarmtabonwDefDriTrttHjn心- 每00~-01TimiP(f-rc1圖16大車運(yùn)行的水平方向變形曲線大車運(yùn)行工況的最大應(yīng)力曲線見圖17，圖中實(shí)線表示前主梁的最大應(yīng)力曲線，虛線表示后主Dooocooooon-r897fi-c.-4331fl_?才『癡21h2?Z2231wiDooocooooon-r897fi-c.-4331fl_?才『癡21h2?Z2231wi1_1—_114—<111梁的最大應(yīng)力曲線。圖17大車運(yùn)行的最大應(yīng)力曲線結(jié)論通過對(duì)門式起重機(jī)的起升工況和大車運(yùn)行工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到了整機(jī)的動(dòng)