李盛寶 李慶帥 李宗鵬 袁志華教授

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.深圳興華世紀(jì)科技有限公司，廣東 深圳 518101)

0 引言

起重運(yùn)輸機(jī)械在我國(guó)被列為特種設(shè)備進(jìn)行管理，該類特種設(shè)備的使用涉及到人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，具有較大的危險(xiǎn)性，國(guó)家有專門的法律條例和特種設(shè)備監(jiān)管機(jī)構(gòu)，從生產(chǎn)、使用、檢測(cè)三環(huán)節(jié)進(jìn)行全方面的規(guī)定和監(jiān)督[1]。但是由于特種設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員操作要求高等因素影響，起重運(yùn)輸機(jī)械事故時(shí)有發(fā)生[2-5]。2013-2017年國(guó)內(nèi)96起附有詳細(xì)事故調(diào)查報(bào)告的塔式起重機(jī)安全事故中，共造成159人死亡，55人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約為18396.25萬元[6]。

由于事故發(fā)生的不確定性和短暫性，在事故發(fā)生后人們不能夠直接判斷出事故發(fā)生的原因及狀態(tài)，難以掌握機(jī)械事故發(fā)生時(shí)的破壞形式和以后的預(yù)防方法，因此事故仿真應(yīng)運(yùn)而生。利用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)已發(fā)生的機(jī)械事故進(jìn)行模擬仿真。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于事故仿真是安全教育領(lǐng)域的新方向，適合危險(xiǎn)復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)景與重大事故模擬，在煤礦、交通、化工、建筑工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用[7-9]。

1 起重機(jī)結(jié)構(gòu)及聯(lián)軸器斷裂事故簡(jiǎn)介

1.1 起重機(jī)聯(lián)軸器斷裂事故描述

Q300t/32m型門式起重機(jī)是秦沈客運(yùn)專線G4標(biāo)用于鐵路箱梁移梁的專用起重設(shè)備。施工現(xiàn)場(chǎng)布置兩臺(tái)，兩臺(tái)起重機(jī)抬吊一片約500t的箱梁，在運(yùn)行過程中，其中一臺(tái)的起升機(jī)構(gòu)失去控制，巨型箱梁因?yàn)槭ゼs束而加速下墜直至落到地面。造成此次事故的直接原因是制動(dòng)輪兩側(cè)的聯(lián)軸器斷裂[10]。本文以此次事故進(jìn)行仿真模擬。

1.2 門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

門式起重機(jī)屬于橋式起重機(jī)的一種變形，別名為龍門吊，主要用于物料的裝卸作業(yè)。門式起重機(jī)由起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、橋架和電氣部分等組成[11]。起升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、減速器、卷筒、定滑輪組和鋼絲繩等零部件組成。起升機(jī)構(gòu)由起升電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器再經(jīng)減速器軸驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，使繞在卷筒上的鋼絲繩或纜線帶動(dòng)吊鉤裝置上升或下降。

2 起重機(jī)的實(shí)體建模與成組

2.1 起重機(jī)的實(shí)體建模

利用SolidWorks軟件強(qiáng)大的實(shí)體建模功能，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除、打孔等操作完成各零件模型的建立，并按照實(shí)際工作時(shí)的各種運(yùn)動(dòng)和約束關(guān)系對(duì)零件進(jìn)行裝配。起重機(jī)上部整機(jī)裝配體模型，如圖1。

圖1 Q300t/32m型起重機(jī)上部整機(jī)建模圖

2.2 起重機(jī)成組

SolidWorks在三維模型建立方面是非常出色的，但其模擬仿真動(dòng)畫制作遠(yuǎn)不如3DS Max方便。兩個(gè)軟件之間存在格式兼容問題，幾種常用格式有.IGS、.STL、.STP和.WRL等[12]。.WRL文件可以直接將裝配體保存成一個(gè)文件，而不需要將裝配體的各個(gè)零件模型單獨(dú)保存，而且在3DS Max中打開仍然為裝配體的形式而不是一個(gè)整體。將裝配好的SolidWorks裝配體另存為.wrl格式，導(dǎo)入3DS Max中。

在3DS Max中打開模型，各個(gè)零件的位置還是裝配體中的位置，但是它們之間的相互約束關(guān)系不見了，這時(shí)候如要拉動(dòng)零部件模型就會(huì)破壞各個(gè)零件之間的相對(duì)位置。利用3DS Max中的成組命令，將相對(duì)位置保持不變的模型相互成組，使它們變成一體，這樣就可以保持一些零部件模型直接的配合關(guān)系，同時(shí)管理起來也會(huì)更加方便。在將SolidWorks中的模型導(dǎo)入3DS Max中，若成組不了，主要原因是從外部導(dǎo)入的零部件之間存在鏈接關(guān)系。首先選中全部零件模型，然后點(diǎn)擊左上角的取消鏈接按鈕，這時(shí)候各個(gè)零部件模型之間就可隨意移動(dòng)同時(shí)可以成組。為了便于后期的動(dòng)畫制作，起重機(jī)分為了吊鉤組、橋架組、卷筒組、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)組、起重機(jī)支腿組等等。

3 起重機(jī)聯(lián)軸器斷裂事故仿真動(dòng)畫制作

3.1 添加模型的鏈接關(guān)系

為了制作事故動(dòng)畫，需要為一些零件對(duì)象添加合理的鏈接關(guān)系，使得一個(gè)零件發(fā)生空間變化時(shí)，與它有鏈接關(guān)系的零件也隨之發(fā)生變化。在Q300t/32m型起重機(jī)的事故模擬中，需要對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的各種軸、聯(lián)軸器、齒輪、鋼絲繩、吊鉤以及箱梁等添加合理的鏈接關(guān)系及鏈接變換。鏈接關(guān)系建立好之后，模型的零部件就能相互之間正確影響，便于后續(xù)制作動(dòng)畫。

3.2 添加模型的貼圖

在將模型導(dǎo)入3DS Max后，模型只有基本的灰色，為了更好地表現(xiàn)物體表面豐富的紋理效果，這時(shí)候就需要用到貼圖功能。貼圖功能是指在模型的外表面覆蓋上所選用的圖片顏色[13]。通過使用3DS Max提供的各種類型的材質(zhì)和貼圖，可以靈活地表現(xiàn)出物體表面的紋理、凸凹、透明等效果，使創(chuàng)建的三維模型更加逼真。門式起重機(jī)的整體顏色一般來說是具有金屬光澤的橙黃色，鋼絲繩的顏色一般為銀灰色，可以通過材質(zhì)編輯器里“明暗器參數(shù)”和“基本參數(shù)”設(shè)置進(jìn)行操作。

3.3 制作關(guān)鍵幀動(dòng)畫

對(duì)于Q300t/32m型起重機(jī)的事故模擬，選擇使用3DS Max關(guān)鍵幀動(dòng)畫功能來仿真。關(guān)鍵幀動(dòng)畫是在時(shí)間軸上定義關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)來記錄模型的空間變化，然后再移動(dòng)時(shí)間滑塊可以觀看模型的運(yùn)動(dòng)變化。關(guān)鍵幀動(dòng)畫中有自動(dòng)關(guān)鍵幀與手動(dòng)關(guān)鍵幀兩種方法，自動(dòng)關(guān)鍵幀比較方便但是容易導(dǎo)致出現(xiàn)廢幀而引起混亂，手動(dòng)關(guān)鍵幀操作較多但是穩(wěn)定可靠。起重機(jī)聯(lián)軸器斷裂事故整個(gè)動(dòng)畫用了100幀來制作，在0到50幀，起重機(jī)正常移動(dòng)下降吊鉤和上升起吊，在50幀到80幀，起重機(jī)上升起吊，77幀時(shí)，聯(lián)軸器的4個(gè)聯(lián)接螺栓斷裂，80幀到100幀，起重機(jī)的吊鉤及重物快速下墜。

3.4 攝像機(jī)設(shè)置

攝像機(jī)的設(shè)置對(duì)動(dòng)畫的展示效果有很大影響，為了突出動(dòng)畫顯示重點(diǎn)，常常使用攝像機(jī)的設(shè)置來達(dá)到效果。起重機(jī)聯(lián)軸器斷裂事故模擬主要觀察的是起升機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器部分的故障動(dòng)畫，因此讓攝像機(jī)放在聯(lián)軸器附近重點(diǎn)顯示其動(dòng)畫過程。攝像機(jī)分為目標(biāo)攝像機(jī)和自由攝像機(jī)兩種。在該動(dòng)畫仿真中使用一臺(tái)自由攝像機(jī)的視角來記錄事故過程。

3.5 渲染輸出動(dòng)畫

在將上述的一系列工作完成后就可以對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行輸出渲染。找到“渲染”菜單欄里的“渲染設(shè)置”，打開，將“公用參數(shù)”里的“時(shí)間輸出”欄勾選上“活動(dòng)時(shí)間段”。在渲染設(shè)置里調(diào)節(jié)好動(dòng)畫分辨率和保存的文件格式及位置，點(diǎn)擊渲染按鈕，渲染完成后，起重機(jī)事故仿真動(dòng)畫就制作完成了。

3.6 事故模擬效果

針對(duì)起重機(jī)事故，進(jìn)行仿真動(dòng)畫，展示了起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)，有遠(yuǎn)到近，可以觀看到起重機(jī)正常移動(dòng)下降吊鉤和上升起吊，可以看到螺栓斷裂瞬間齒輪卡住不動(dòng)，然后螺栓斷裂迸出，隨后齒輪高速旋轉(zhuǎn)，重物失控下墜，再現(xiàn)了起重機(jī)聯(lián)軸器斷裂事故發(fā)生的全過程。起重機(jī)吊鉤移動(dòng)(如圖2)，螺栓斷裂瞬間齒輪卡住不動(dòng)(如圖3)，螺栓斷裂迸出(如圖4)，重物快速下墜脫落(如圖5)。

圖2 起重機(jī)吊鉤移動(dòng)

圖3 螺栓斷裂瞬間齒輪卡住

圖4 螺栓斷裂迸出

此次事故模擬再現(xiàn)了起重機(jī)聯(lián)軸器斷裂事故發(fā)生的全過程，展示了螺栓斷裂產(chǎn)生的影響。以后在使用時(shí)，應(yīng)提前檢查螺栓有無疲勞痕、有無斷裂，盡早發(fā)現(xiàn)隱患并整改，做到事前控制，避免事故發(fā)生。

圖5 重物快速下墜脫落

4 結(jié)論

利用SolidWorks建立起重機(jī)模型，模型裝配體另存為.wrl格式，導(dǎo)入3DS Max中，在3DS Max軟件中，添加模型的鏈接關(guān)系，添加模型貼圖，制作關(guān)鍵幀動(dòng)畫，放置攝像機(jī)，渲染，可以再現(xiàn)起重機(jī)聯(lián)軸器斷裂事故的發(fā)生過程。

觀看起重機(jī)聯(lián)軸器斷裂事故動(dòng)畫，可以對(duì)工科大學(xué)生進(jìn)行工程安全方面的教育，使學(xué)生提前了解未來的工作安全環(huán)境和要求，全面樹立安全第一、以人為本的理念，優(yōu)先培養(yǎng)安全意識(shí)和安全思維，幫助學(xué)生在以后的工程實(shí)踐中，迅速適應(yīng)生產(chǎn)的安全要求，確保人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全，全面提高工程效果和生產(chǎn)效益。事故仿真模擬對(duì)起重機(jī)事故原因分析和起重機(jī)安全使用也具有重要指導(dǎo)意義。