楊書強

（柳州市特種設(shè)備檢驗所，廣西 柳州 545006）

起重機設(shè)計虛擬仿真技術(shù)研究

楊書強

（柳州市特種設(shè)備檢驗所，廣西 柳州 545006）

隨著城市工程建設(shè)的進程逐漸加深，起重機是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中常見的運輸設(shè)備，起重機在一定程度上實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的機械化和自動化。但隨著科技的發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)的需求，對起重機械的要求越來越高，傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計已經(jīng)難以滿足使用要求。本文介紹了傳統(tǒng)的起重機設(shè)計技術(shù)方法和虛擬仿真技術(shù)方法，在ADAMS平臺上對起重機進行虛擬仿真分析和研究。

起重機械；虛擬仿真；優(yōu)化設(shè)計

起重機械是工業(yè)生產(chǎn)以及生活中常見的運輸設(shè)備，大大提高了生產(chǎn)效率。起重機的主體結(jié)構(gòu)是多種多樣的，由各種鋼構(gòu)件連接而成，在鋼結(jié)構(gòu)的不同功能部件之中有操作、驅(qū)動、控制等電氣結(jié)構(gòu)。如果起重機的設(shè)計和安裝不科學(xué)、不合理，則在使用過程中會出現(xiàn)很多安全問題，如主梁折斷、鋼絲繩斷導(dǎo)致的吊物墜落、吊鉤破斷、觸電等?；谔摂M仿真的設(shè)計技術(shù)利用虛擬技術(shù)對起重機各個機構(gòu)的動力學(xué)進行仿真及動態(tài)分析，得出其實際工況下的動態(tài)特性，在一定程度上優(yōu)化了設(shè)計，為提高起重機質(zhì)量提供了保障。

1 起重機設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀

我國起重機設(shè)計發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，從優(yōu)秀的設(shè)計經(jīng)驗中吸取了很多寶貴的經(jīng)驗后，走向了自主研發(fā)和設(shè)計的道路，朝著大型化、高速化、專業(yè)化的方向邁進，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益，并且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，開始進入全數(shù)字化控制驅(qū)動、可編程控制、故障診斷和數(shù)據(jù)管理的技術(shù)領(lǐng)域。但是也存在一些問題，如核心部件的技術(shù)水平還欠缺，與國外先進技術(shù)相比，需要不斷提高設(shè)計水平，收集設(shè)備的故障，不斷積累經(jīng)驗，改進技術(shù)，，同時提高制造水平，特別是在細(xì)節(jié)精益設(shè)計上，提高技術(shù)人員的素質(zhì)，研發(fā)成熟的技術(shù)投入市場，實現(xiàn)先進技術(shù)和產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

2 起重機主要部件介紹

2.1 主梁

起重機主梁按照結(jié)構(gòu)類型可分為箱型梁、桁架梁、型鋼梁。其中箱型梁又可分為正軌梁和偏軌梁等。桁架梁又分為角鋼和圓鋼兩種，如果細(xì)分還是可以的。型鋼梁就是工字鋼梁，一般用在葫蘆上。還有結(jié)合了以上類型的復(fù)合梁，比如箱型梁和工字鋼就可以組成一種主梁形式（箱型梁為一個倒置的屋面，工字鋼焊接在下面），這類門機在小型貨場或者露天工廠比較常見。

2.2 端梁

端梁部分在起重機中有著重要的作用，它是承載平移運輸?shù)年P(guān)鍵部件。由車輪組合端梁架組成，端梁部分主要有上蓋板，腹板和下蓋板組成；兩段通過連接板和角鋼用高強螺栓連接而成。在端梁的內(nèi)部設(shè)有加強筋，以保證端梁架受載后的穩(wěn)定性。端梁的主要尺寸是依據(jù)主梁的跨度，大車的輪距和小車的軌距來確定的；大車的運行采用分別傳動的方案。

2.3 橫梁

橫梁對整個起重機的工作效率和安全運行起著至關(guān)重要的作用，橫梁的跨距、形狀、額定起重能力、抗彎剛度、允許的撓度、材料密度、彈性模量、安全因數(shù)等因素都對起重機的運行有影響。

2.4 小車總成

小車專為重型加工工業(yè)而制造。電機、齒輪箱和控制單元均在內(nèi)部設(shè)計和制造，確保卓越的吊重性能和長使用壽命。凸緣型電機配有集成的制動器，有助于正確校準(zhǔn)機械裝置。

2.5 大車運行機構(gòu)

液壓或橡膠大車行走緩沖器，保護起重機和建筑物。

2.6 司機室

司機室應(yīng)按人機工程學(xué)原理進行設(shè)計，整體應(yīng)堅固、美觀、安全、隔熱、防火、防塵、全封閉。司機室設(shè)置在主梁的下方，隨大車同步移動。

3 起重機虛擬仿真技術(shù)要點

仿真技術(shù)是基于計算機形成的虛擬技術(shù)，它是在計算機中生成一種模擬環(huán)境，在這個空間環(huán)境中，設(shè)計者可以進行自然交互，能夠人為的對虛擬世界中的物體進行更改和操作，并為操作者提供視、聽、觸等感官的反饋。起重機檢驗技術(shù)仿真研究就是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，生成三維實體模型裝備，解決了設(shè)計者難以客服的抽象思維設(shè)計，一旦發(fā)現(xiàn)模型有問題，就能夠及時的對起重機的相關(guān)部件或設(shè)備進行修改，直觀地對三維實體進行重新布局，實現(xiàn)實時仿真，充分利用有限的空間，可以以部件替代全機，將可預(yù)見的問題解決在設(shè)計階段。在計算的虛擬仿真過程中，可以降低研發(fā)成本和生產(chǎn)成本，縮短開發(fā)周期并有效的提高研發(fā)質(zhì)量。結(jié)合虛擬技術(shù)的特征可以總結(jié)出起重機設(shè)計的虛擬技術(shù)仿真技術(shù)要點。

（1）構(gòu)想性。設(shè)計者能夠從綜合集成形成的仿真環(huán)境中定性或者定量的獲得理性認(rèn)識和感性認(rèn)識。

（2）真實性。設(shè)計者能夠作為仿真環(huán)境中的主角，并感受到模擬環(huán)境的真實性，以獲得更為直觀、真實的評價。

（3）交互性。仿真環(huán)境是由虛擬顯示軟件、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等形成的，形成的仿真環(huán)境如物理約束、建筑模型、電氣線路、部件碰撞檢測、動力學(xué)特征等。

4 起重機設(shè)計仿真模型建立

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Prototype Technology）設(shè)計了計算機技術(shù)、軟件工程、多體系統(tǒng)動力學(xué)等多門學(xué)科，其設(shè)計的關(guān)鍵是CAD建模、電氣、機械等相關(guān)技術(shù)，其模型的建立主要是研究以下幾個方面。

（1）通用參數(shù)。在ADAMS環(huán)境下建立模型分析起重機的部件動力學(xué)特征，除了研究其幾何形狀外，還包括材料的質(zhì)量、密度、泊松比、初始位置、初始速度和運動方向等。同時再添加各部件之間的約束關(guān)系。限制某些部件之間的相對運動，以形成一個穩(wěn)定的機械系統(tǒng)。

（2）各種約束。ADAMS可以處理四種類型的約束：約束運動、接觸約束、制定約束方向和常見運動副約束。將起重機虛擬仿真樣機零部件約束匯總?cè)缦拢孩俚蹉^和吊環(huán)之間的球形副連接；②吊臂通過滑輪和吊繩連接，吊臂和滑輪之間為球形副連接；③液壓桿與后吊臂和機身相連，采用鉸連接，使三者之間沒有轉(zhuǎn)角變化和相對位移；④支承墊板固定在地面上，采用固定副約束，與地面沒有相對移動；⑤機身和平衡重之間也采用固定副約束，沒有移動和相對位移。

（3）ADAMS力庫中提供了四種類型的力：接觸力、特殊力、連接力和作用力，在輸入力的信息時，需要說明力的類型和力的大小、方向、力矩、作用點等。

（4）風(fēng)力作用。露天工作的起重機必須考慮其受到的外界因素，尤其是在風(fēng)力較強的地方實施吊裝時，必須考慮風(fēng)載的影響，用計算機進行模擬和計算時，應(yīng)考慮風(fēng)對起重機最不利方向的影響。

（5）施工作業(yè)。在起重機起吊過程中，一般吊物體都是由靜止變?yōu)閯蚣铀偕仙?，最后為勻速上升，仿真起吊運動演示中，為了保證仿真求解的穩(wěn)定性，需要在模型中插入相關(guān)函數(shù)，以保證模型中的物體能夠切換不同類型的物理運動。

5 結(jié)語

聯(lián)合仿真可實現(xiàn)機電液各子系統(tǒng)的參數(shù)傳遞，比單個系統(tǒng)仿真更能反映物理系統(tǒng)運行狀態(tài)，本文對起重機進行仿真模塊的分析，利用專業(yè)軟件對起重機的設(shè)計進行動態(tài)模擬，研究可檢驗的控制方案，在計算上進行虛擬實驗，研究系統(tǒng)的可靠性，保證產(chǎn)品的研發(fā)成功率。起重機設(shè)計應(yīng)用上，要求設(shè)計人員在具體的工作中應(yīng)分類掌握起重機的類型、應(yīng)用特征 ；要注重分析與總結(jié)設(shè)計時可能存在的一些問題，在技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的分析設(shè)計的實用性。在設(shè)計可行性控制中，對多樣化的設(shè)計模式進行應(yīng)用，以便提升設(shè)計工作的有效性和科學(xué)性，使起重機生產(chǎn)與工作的安全隱患在設(shè)計階段就得到有效降低，確保起重機運行的安全性。

[1]王衛(wèi)輝,晁蘇全,魏云平,趙輝. 起重機車輪運行穩(wěn)定性控制仿真研究[J].計算機仿真,2015,12:183-186.

[2]龔文,蔣瑜,徐彬.起重機械安全評估的程序和內(nèi)容初探[J].中國特種設(shè)備安全,2016,02:50-52+59.

[3]楊陶. 探析起重機械安裝中的應(yīng)力測試技術(shù)[J].低碳世界,2016,11:212-213.

[4]王云哲,胡浩亮.門座起重機臂架系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析[J].港工技術(shù),2016,02:20-23.

[5]高繼松,龔進,龔俊,張大慶.混合動力起重機能量回收系統(tǒng)仿真與試驗[J].計算機仿真,2016,04:161-166.

[6]汪逢,武殿梁,程奐翀.虛擬環(huán)境吊裝動態(tài)性能仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機仿真,2016,08:387-391.

[7]姜旭,申萬萬,曹娟娟,徐傳康.履帶起重機接地比壓計算方法及仿真分析研究[J]. 建設(shè)機械技術(shù)與管理,2016,09:64-67.

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