何海勝，李旭平

(珠海天力重工有限公司，廣東 珠海 519000）

近年來(lái)，我國(guó)吊裝行業(yè)迅速發(fā)展，這就給固定式港口起重機(jī)的使用方法與設(shè)計(jì)工藝提出更高的要求，目前，很多固定式港口起重機(jī)的工藝設(shè)計(jì)也日益復(fù)雜。以前，設(shè)計(jì)的起重機(jī)的吊裝機(jī)構(gòu)一致沿用的方式——圖解設(shè)計(jì)，但是這種方法不能輕易計(jì)算出待定系數(shù)，不利于提高其設(shè)計(jì)的效率與準(zhǔn)確度，最為關(guān)鍵的問(wèn)題是，圖解法不能很好地將優(yōu)化設(shè)計(jì)與吊裝機(jī)構(gòu)結(jié)合，從一定程度上限制了吊裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。在這樣的情況下，ABAMS軟件應(yīng)運(yùn)而生，這種軟件技術(shù)可以創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)所有幾何模型的參數(shù)，能夠進(jìn)行造型和參數(shù)分析，筆者立足于ABAMS軟件在固定式港口起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，進(jìn)行了深入的分析與研究。

1 固定式港口吊裝機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析以及設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 運(yùn)動(dòng)分析

通常情況下，單臂架式機(jī)構(gòu)和四連桿組合臂架式機(jī)構(gòu)組成了固定式港口起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)。在本文的研究中，筆者以四連桿組合臂架式機(jī)構(gòu)為例開(kāi)展研究。在分析研究中發(fā)現(xiàn)，四連桿組合臂架式機(jī)構(gòu)應(yīng)用空間較大。當(dāng)起重機(jī)達(dá)到一定的高度時(shí)，起重機(jī)的整體尺寸會(huì)發(fā)生變化，逐漸偏小。與此同時(shí)，懸掛貨物的懸掛長(zhǎng)度也會(huì)縮小，出現(xiàn)輕微的擺動(dòng)現(xiàn)象。

吊裝機(jī)構(gòu)臂架的運(yùn)動(dòng)計(jì)算見(jiàn)圖1。

基本參數(shù)表見(jiàn)表1。結(jié)合基本參數(shù)表求得起重機(jī)吊架的長(zhǎng)度是10.13m，臂架長(zhǎng)度是19.91m，連桿長(zhǎng)度是4.3m，前段長(zhǎng)度是9.82m，后搖桿是17.48m。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

鋼絲繩、滑輪組以及卷筒是卷繞系統(tǒng)幾個(gè)部件，具體計(jì)算如下：

圖1 吊裝機(jī)構(gòu)臂架的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

計(jì)算鋼絲繩最大靜拉力，如下計(jì)算過(guò)程：

滑輪與卷筒最低限定的直徑計(jì)算如下：

式中，S為最大靜載荷拉力；Q為起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)質(zhì)量；m為滑輪組倍率數(shù)；n為卷筒鋼絲繩的數(shù)量；ηb為滑輪組效率；η1、η2為導(dǎo)向滑輪的效率。

總阻力計(jì)算如下：

計(jì)算式中可以看出，變幅阻力U0是由于重物和吊裝機(jī)構(gòu)并非沿直線(xiàn)行走以及起升拉力引起的；當(dāng)臂架系統(tǒng)失去平衡引發(fā)阻力，就產(chǎn)生了變幅阻力Ub；在正常的運(yùn)行狀態(tài)中，由風(fēng)載荷產(chǎn)生的是變幅阻力Uw；在風(fēng)的作用下，重物產(chǎn)生擺動(dòng)產(chǎn)生蝙蝠壓力UH；臂架系統(tǒng)在繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力造成邊幅壓力Uc；變幅過(guò)程中臂架系統(tǒng)在徑向產(chǎn)生的慣性力產(chǎn)生變幅阻力Ui；各機(jī)構(gòu)、零件之間的摩擦阻力產(chǎn)生變幅阻力Uf。

象鼻梁的基本機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，其相關(guān)的計(jì)算如下。

圖2 象鼻梁的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

切口處相對(duì)變位為零可得到力法方程：

當(dāng)F1=F2=F3=F時(shí)，

基本參數(shù)表見(jiàn)表2。

表2 基本參數(shù)表

2 起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)之前的設(shè)計(jì)結(jié)果，我們要對(duì)設(shè)計(jì)變量的最初參數(shù)展開(kāi)修正，利用ADAMS軟件建立虛擬模型進(jìn)行約束，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 鼻梁前端 x 方向的位置變化曲線(xiàn)

圖4 鼻梁前端y方向的位置變化曲線(xiàn)

根據(jù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)分析，在X方向上最小極限位置距離為5.49m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)最小極限位置5.5m。

3 結(jié)語(yǔ)

港口起重機(jī)如今已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)多個(gè)領(lǐng)域中不可缺少的重要設(shè)備，尤其近幾年，隨著我國(guó)在能源行業(yè)方面實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，有力地帶動(dòng)了中國(guó)港口起重機(jī)行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展，塑造并影響了一大批具有雄厚實(shí)力的吊裝設(shè)備施工企業(yè)。目前，中國(guó)涌現(xiàn)出越來(lái)越多吊裝帶行業(yè)先進(jìn)企業(yè)。同時(shí)，隨著吊裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)手段不斷優(yōu)化，海外市場(chǎng)也出現(xiàn)了中國(guó)起重機(jī)的身影。

結(jié)合上文所述，總結(jié)固定式港口起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有以下體會(huì)：

（1）ADAMS仿真分析軟件能夠結(jié)合連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠較好地檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否設(shè)計(jì)合理，同時(shí)，其他構(gòu)件的干涉情況也能檢測(cè)。ADAMS仿真分析軟件利用的是虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，能夠把分散的零件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，如可以將系統(tǒng)中零部件的CAD 和FEA 技術(shù)進(jìn)行有效融合，立足于計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建出新的產(chǎn)品模型。在針對(duì)產(chǎn)品使用后出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行仿真分析，來(lái)對(duì)產(chǎn)品的整體性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而創(chuàng)新和提高產(chǎn)品的性能與技術(shù)。

（2）在關(guān)于固定式港口起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們要始終以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析為基礎(chǔ)，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的深入分析，將一些束縛的條件一一簡(jiǎn)化。如此一來(lái)，就可以滿(mǎn)足我們?cè)诟劭谄鹬貦C(jī)工作中預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。

（3）通過(guò)利用虛擬樣機(jī)技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，可以形象直觀地分析出設(shè)計(jì)的可行性，有效地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，減少了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的成本及費(fèi)用，為優(yōu)化固定式港口吊裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的辦法和路徑。

總的來(lái)說(shuō)，虛擬樣機(jī)技術(shù)是20世紀(jì)80年代逐漸興起、基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)新概念。從國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在不同定義，在起重行業(yè)與吊裝行業(yè)在社會(huì)發(fā)展中是相互促進(jìn)和相互發(fā)展的，如今，吊裝設(shè)備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)迅猛發(fā)展，為港口起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。