李瑞強　王　欣　高順德

大連理工大學機械工程學院

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基于ADAMS-Cable的多機吊裝剛?cè)狁詈蟿恿W分析

李瑞強王欣高順德

大連理工大學機械工程學院

摘要：多臺起重機在協(xié)同吊裝過程中，由于超靜定問題、臂架柔性、起停慣性力等因素，會產(chǎn)生附加的沖擊載荷，影響多機吊裝系統(tǒng)的受力狀態(tài)。通過Pro/E、ANSYS、ADAMS等軟件建立剛?cè)狁詈系亩鄼C吊裝模型，并通過ADAMS-Cable建立鋼絲繩模型模擬多機吊裝過程，求得吊裝過程多機吊裝系統(tǒng)受力，為多機安全吊裝提供一種重要的參考方法。

關(guān)鍵詞：多機吊裝； 剛?cè)狁詈希?超靜定； 吊裝力

1前言

單臺起重機吊裝已經(jīng)無法滿足越來越復(fù)雜的吊裝要求，多機協(xié)同吊裝能夠充分利用現(xiàn)有起重機資源，完成更大噸位的吊裝任務(wù)，這種優(yōu)勢越來越受到人們的重視[1]。然而多機系統(tǒng)在吊裝過程中，一般處于超靜定狀態(tài)，臂架和被吊物具有一定的柔性，且鋼絲繩也容易受到重力和慣性力的影響，很難獲得多機系統(tǒng)準確的受力狀態(tài)。

文獻[2]通過ANSYS生成mnf模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS中模擬鋼絲繩柔性體，較好地模擬了鋼絲繩在吊裝過程中的狀態(tài)，但無法準確模擬鋼絲繩受重力和慣性力的影響，也無法實現(xiàn)鋼絲繩與滑輪之間的纏繞。文獻[3]采用關(guān)聯(lián)約束副或齒輪副來模擬吊裝過程鋼絲繩模型，雖然仿真速度較快，但是其仿真準確性還有待提高，而且在仿真過程中也容易出現(xiàn)過約束。文獻[4]采用Bushing嵌套力連接多段小圓柱模擬起重機吊裝過程鋼絲繩模型，仿真準確性明顯提高，但是無法實現(xiàn)參數(shù)化建模和優(yōu)化設(shè)計。文獻[5]采用ADAMS_Cable準確模擬了動臂塔式起重機吊裝過程中鋼絲繩的受力狀態(tài)，但是未考慮到臂架和被吊物柔性對吊裝力的影響。文獻[6]將鋼絲繩視為柔性體，其他部件視為剛性體，通過補充變形協(xié)調(diào)方程得出一種快速求解多機吊裝系統(tǒng)超靜定吊裝力的方法，由于其未考慮臂架和被吊物柔性以及鋼絲繩豎直方向的偏角，無法準確獲得多機系統(tǒng)載荷歷程。

本文以1臺1 600 t主起重機、1臺1 250 t主起重機和2臺600 t溜尾起重機協(xié)同吊裝1 150 t導(dǎo)管架為研究對象，其中4臺起重機均為履帶起重機超起工況。多機吊裝系統(tǒng)的動作過程為：4臺起重機協(xié)同起升2 m為導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)做準備；3號和4號主起重機起升17.563 m，1號和2號溜尾起重機行走2.782 m，使導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)18°，導(dǎo)管架達到預(yù)安裝角度；4臺起重機協(xié)同起升65.5 m,使導(dǎo)管架達到預(yù)安裝高度；4臺起重機協(xié)同行走10 m，使導(dǎo)管架達到預(yù)安裝位置；4臺起重機協(xié)同下降2.71 m,使導(dǎo)管架達到最終安裝位置。在此過程中，由于導(dǎo)管架承受4條鋼絲繩的吊裝力以及重力作用，處于空間超靜定狀態(tài)，且臂架、超起桅桿、導(dǎo)管架和鋼絲繩的柔性等因素影響,使得無法通過靜力學平衡條件獲得多機吊裝系統(tǒng)的吊裝力載荷歷程。因此本文運用Pro/E、ANSYS與ADAMS軟件對多機吊裝系統(tǒng)進行動力學仿真，分析了多機吊裝系統(tǒng)在吊裝過程的受力情況，為多機安全吊裝提供一種重要的參考方法。

2動力學模型的建立

多機吊裝系統(tǒng)在吊裝過程中存在起升、平移、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)等多種復(fù)雜的吊裝情況，在此過程中其協(xié)同吊裝顯得尤為重要[7]。本文所研究的多機吊裝系統(tǒng)使用的起重機為履帶式起重機，主要由下車、轉(zhuǎn)臺、臂架、超起桅桿、主臂拉板、桅桿、超起桅桿與桅桿間拉板、配重等部件組成，其基本模型如圖1所示。在多機吊裝模型中，下車、轉(zhuǎn)臺、桅桿部分相對于臂架、鋼絲繩等，其剛度很大，變形對于計算結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計。為了減小計算量，通過PARASOLID接口導(dǎo)入到ADAMS中建立剛體模型；臂架、超起桅桿、導(dǎo)管架等部件，由于其均屬于細長結(jié)構(gòu)，在實際運動過程中，其變形較大程度地影響了計算結(jié)果，通過ADAMS與ANSYS的接口文件mnf導(dǎo)入到ADAMS中建立柔體模型；鋼絲繩在運動過程中，只承受拉力，而且容易受到慣性力的影響，在ADAMS中利用Machinery模塊中的Cable插件建立鋼絲繩以及滑輪等繩索系統(tǒng)，添加各部件之間的運動副關(guān)系，建立剛?cè)狁詈系亩鄼C吊裝系統(tǒng)動力學模型。

圖1　履帶起重機模型示意圖

2.1臂架模型的建立

本文所涉及的履帶起重機臂架形式為桁架臂式，在ANSYS中統(tǒng)一為mm，kg，N，s，設(shè)置彈性模量為2.06 E+005 MPa，泊松比設(shè)置為0.3，密度設(shè)置為7.85 E-006 kg/mm3，利用beam188單元設(shè)置弦桿與腹桿，利用shell63單元建立底節(jié)與臂頭的板殼部分，按照模型實際情況分別賦予shell單元對應(yīng)的實常數(shù)，賦予beam單元對應(yīng)的截面參數(shù)，劃分網(wǎng)格后通過mass21單元在臂架根鉸點、臂頭滑輪鉸點、主臂拉板鉸點等部位建立剛性區(qū)域，作為ADMAS軟件中約束副和載荷的施加節(jié)點。

通過ANSYS軟件的ADAMS Connection接口，將各個剛性節(jié)點作為輸出節(jié)點，設(shè)置Length Factor為1000，Mass Factor、Force Factor、Time Factor為1，求解并導(dǎo)出為mnf文件，通過ADAMS的Flex模塊導(dǎo)入到ADAMS中，并關(guān)閉一些對計算結(jié)果影響不大的高階模態(tài)，提高仿真速度。

2.2鋼絲繩模型的建立

ADAMS-Cable模塊運用有限元離散化思想，用軸套力將各小球進行柔性連接來仿真鋼絲繩在起升、制動等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的振動。根據(jù)實際模型完成錨固、滑輪的建立。由于滑輪不能直接建立在柔性體上，因此可設(shè)置一個啞物體用固定副與柔性臂架連接在一起，同時將滑輪的轉(zhuǎn)動中心設(shè)置在啞物體上。

對于鋼絲繩繞滑輪之間的旋轉(zhuǎn)，Cable模塊通過設(shè)置鋼絲繩小球與滑輪之間的接觸實現(xiàn)，通過合理設(shè)置鋼絲繩和滑輪的接觸參數(shù)，實現(xiàn)準確模擬吊裝過程中鋼絲繩的受力情況。接觸參數(shù)見表1。

表1　鋼絲繩與滑輪接觸參數(shù)

鋼絲繩參數(shù)見表2。

表2　鋼絲繩參數(shù)

其中，接觸剛度代表了鋼絲繩與滑輪之間接觸時抵抗變形的能力，臨界接觸速度是指當速度大于100 mm/s時，鋼絲繩的摩擦系數(shù)從靜摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)化為動摩擦系數(shù)，鋼絲繩的密度和彈性模量由其材料性質(zhì)決定，阻尼決定了鋼絲繩在吊裝時振動的衰減速度，策略決定鋼絲繩模型的建模形式，分段和區(qū)域決定鋼絲繩中各小球在鋼絲繩中的密度和位置。

2.3添加約束

各部件之間通過約束副相連，約束類型及數(shù)量見表3。

按照上述方法建立的多機吊裝剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D2所示。在多機吊裝系統(tǒng)模型中，定義起重機的行走方向為X軸正向，1號溜尾起重機質(zhì)心至2號溜尾起重機方向為Y軸正向，重力加速度方向為Z軸正向。

表3　剛?cè)狁詈夏Ｐ图s束副

圖2　剛?cè)狁詈隙鄼C吊裝系統(tǒng)模型

2.4驅(qū)動函數(shù)

在多臺起重機協(xié)同吊裝仿真過程中，需要在ADAMS中定義起重機的行走速度、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)速度以及鋼絲繩的起升速度，其速度可根據(jù)STEP三次多項式逼近階躍函數(shù)，其格式為step(x,x0,h0,x1,h1)。其中x為自變量，x0為初始時刻，h0為初始函數(shù)值，x1為終止時刻，h1為函數(shù)終止值。

因此用step函數(shù)設(shè)置各個驅(qū)動類型為速度驅(qū)動，多機系統(tǒng)起重機的驅(qū)動函數(shù)和動作序列如圖3和表4所示。

圖3　多機系統(tǒng)驅(qū)動速度曲線

時間/s動作序列起重機1起重機2起重機3起重機40-2.5起升2m起升2m2.5-20.563下車行走2.782m起升17.563m20.563-37.063起升65.5m起升65.5m37.063-48.063下車行走10m下車行走10m48.063-51.573下降2.71m下降2.71m

3仿真分析

本文以4臺履帶起重機協(xié)同吊裝導(dǎo)管架為研究對象，其中1號和2號溜尾起重機最大吊載能力為600 t，3號主起重機最大吊載能力為1 250 t，4號主起重機最大吊載能力為1 600 t，導(dǎo)管架自重為1 150 t。導(dǎo)管架的動作序列為：導(dǎo)管架起升2 m，導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)18 deg，導(dǎo)管架起升65.5 m，起重機行走10 m，導(dǎo)管架下降2.71 m。

多機系統(tǒng)在吊裝過程中，可能會出現(xiàn)單臺或多臺起重機因為起重機司機反應(yīng)誤差造成多機系統(tǒng)無法實現(xiàn)嚴格協(xié)同吊裝的情況。當某臺起重機整體吊裝過程操作延遲時，此起重機吊點在起升階段Z向低于其他吊點，而行走階段在X軸方向滯后于其他吊點，使得此起重機鋼絲繩在X軸和Z軸方向出現(xiàn)一定的角度偏移，使得多機吊裝系統(tǒng)受力更加復(fù)雜。因此，本文以上述工況為研究對象，研究由于起重機司機反應(yīng)誤差對多機吊裝系統(tǒng)鋼絲繩總繩吊裝力的影響。

3.1單臺起重機操作延遲時間對吊裝力影響

當其他參數(shù)不變時，2號溜尾起重機不同操作延遲時間對多機系統(tǒng)吊裝力的影響如圖4所示。

圖4　2號起重機不同操作延遲時間對鋼絲繩受力影響

由圖4和表5可知，當其他參數(shù)不變時，多機系統(tǒng)協(xié)同吊裝過程各吊裝力的最大波動多出現(xiàn)在起重機啟動和制動過程，當起重機勻速協(xié)同吊裝時，波動明顯減小，且隨著吊裝過程進行，基本達到穩(wěn)定吊裝。單臺起重機操作延遲后，在吊裝過程中協(xié)同平移階段各起重機的載荷歷程出現(xiàn)了明顯的波動，從翻轉(zhuǎn)狀態(tài)到起升狀態(tài)各起重機的穩(wěn)定載荷出現(xiàn)了較大的變化，且隨著延遲時間的增多，各起重機的載荷分配率變化越大，對起重機的平穩(wěn)吊裝過程產(chǎn)生較大的沖擊。因此，在多機協(xié)同吊裝過程中，應(yīng)盡量在多機吊裝平移階段前，盡量使多機吊裝系統(tǒng)處于協(xié)同吊裝狀態(tài)，有利于各起重機穩(wěn)定吊裝，從而增強多機吊裝過程的安全性。

3.2不同起重機操作延遲時間對吊裝力影響

當其他參數(shù)不變時，不同個數(shù)起重機操作延遲情況對多機系統(tǒng)吊裝力的影響如圖5所示。

圖5　不同操作延遲工況對鋼絲繩受力的影響

由圖5和表6可知，當其他參數(shù)不變時，協(xié)同吊裝和3臺起重機操作延遲時，各起重機載荷分配相對較平均，載荷較大波動均出現(xiàn)在各起重機啟動和制動階段，但是單臺起重機操作超前時，各個起重機的吊裝力在啟動和制動時載荷波動更大。單臺起重機滯后時，各起重機的載荷歷程波動明顯，在翻轉(zhuǎn)階段到起升階段平均載荷出現(xiàn)了較大變化。而當雙臺起重機滯后時，多機吊裝系統(tǒng)在各個階段的載荷分配均出現(xiàn)了較大的變化，對多機穩(wěn)定吊裝最為不利。

表5　2號起重機操作延遲時各工況載荷歷程波動性分析(%)

表6　不同操作延遲工況時載荷歷程波動性分析(%)

因此在多機吊裝過程中，應(yīng)盡量保證多機系統(tǒng)的協(xié)同吊裝，尤其是在多機系統(tǒng)出現(xiàn)2臺起重機延遲時，應(yīng)設(shè)法在第一個起升階段結(jié)束前使3臺起重機協(xié)同吊裝，在翻轉(zhuǎn)過程結(jié)束前實現(xiàn)多機系統(tǒng)協(xié)同吊裝，從而最大程度保證多機吊裝系統(tǒng)的載荷歷程穩(wěn)定性，增加吊裝過程的安全性。

4結(jié)論

本文通過在ADAMS中建立多機吊裝系統(tǒng)的剛?cè)狁詈隙囿w動力學模型，對多機吊裝系統(tǒng)吊裝過程進行了多方面的仿真，通過對比不同吊裝過程的載荷歷程曲線，得出多機協(xié)同吊裝沒有實現(xiàn)嚴格協(xié)同時對各起重機載荷歷程的影響，提出了在出現(xiàn)非嚴格協(xié)同吊裝時盡量保持各起重機載荷歷程穩(wěn)定性的方法，對多機吊裝系統(tǒng)穩(wěn)定安全吊裝提供了重要的參考依據(jù)。

參 考 文 獻

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李瑞強： 116024, 遼寧省大連市甘井子區(qū)

Rigid-flexible Coupling Dynamic Analysis for Multi-crane Lifting based on ADAMS-Cable

School of Mechanism Engineering of Dalian University of TechnologyLi RuiqiangWang XinGao Shunde

Abstract:For multi-crane cooperative lifting system, many reasons, such as statically indeterminate, the flexibility of boom and the start-stop inertia force, can cause the additional impact load, and may influence strained condition of this system. So, in this paper, the rigid-flexible coupling dynamics model of multi-crane lifting system is built by Pro/E, ANSYS and ADAMS, and the cable forces of this system are analyzed. The result provides significant guiding for the safety of the cooperativity of the multi-crane lifting system.

Key words:multi-crane lifting; rigid-flexible coupling; statically indeterminate; cable force

收稿日期：2016-05-10

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.002