集裝箱正面吊運車防傾覆過載保護(hù)裝置動力學(xué)建模與分析

張連文，李科成，李立新，田亞，趙海濱，胡旭超

（天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134）

正面吊運車主要是用于集裝箱碼頭的大型港口機(jī)械設(shè)備，也是用于鐵路中轉(zhuǎn)站、公路中間站以及集裝箱貨場的主要物流設(shè)備，具有機(jī)動靈活、操作方便、穩(wěn)定性好、輪壓低、堆碼層數(shù)高、視野好、作業(yè)幅度大等優(yōu)點。正面吊運車既可隔排吊箱，也可沿一定角度吊箱，使其可以適應(yīng)狹窄通道作業(yè)，提高場地利用率。其車架借鑒重型叉車，臂架類似于汽車起重機(jī)，因而正面吊運車能起到叉車與汽車吊的雙重作用。

近年來，由于港口建設(shè)和物流業(yè)的發(fā)展，該產(chǎn)品的市場需求量迅速擴(kuò)大。目前國內(nèi)多數(shù)使用進(jìn)口產(chǎn)品，本文設(shè)計的產(chǎn)品為國內(nèi)企業(yè)首次成功開發(fā)。吊具下額定起重量為45 t，最大起升高度為15.1 m，最大作業(yè)幅度為6.3 m，最大空載/滿載起升速度分別為420/250 mm/s。

安全可靠是裝卸搬運起重機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)時首要考慮的問題[1-4]。為了提高作業(yè)的安全可靠性能，特別設(shè)計了一套防傾覆過載保護(hù)裝置。本文基于ADAMS軟件進(jìn)行了正面吊運車防傾覆過載保護(hù)裝置的機(jī)構(gòu)動力分析，為設(shè)計出安全可靠的正面吊運車發(fā)揮了重要作用。第一臺產(chǎn)品在天津港使用已滿3 a，目前已生產(chǎn)200多臺，安全可靠性也通過了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實驗測試和市場的實際檢驗[5-7]。

1 ADAMS動力分析模型

1.1 二維幾何模型

過載保護(hù)裝置是本產(chǎn)品在開發(fā)設(shè)計時，為防止起吊載荷超重導(dǎo)致正面吊運車傾覆而設(shè)計的重要安全保護(hù)機(jī)構(gòu)。如圖1所示，該裝置關(guān)聯(lián)的部件有前耳板、腹板、上下翼緣板、左右后耳板、連鎖、下鎖以及左右后輪胎、左右后輪輞、轉(zhuǎn)向油缸、后橋下配重等。

在正面吊運車工作的過程中，靠傳感器來自動檢測連鎖鉤點水平位移。當(dāng)轉(zhuǎn)向橋前載荷過載導(dǎo)致連鎖鉤點的水平位移超過某一設(shè)定值時就立即停止工作，同時下鎖與連鎖自動鎖死使得轉(zhuǎn)向橋與下配重起到抗傾覆的作用而達(dá)到過載保護(hù)的目的。

圖1 轉(zhuǎn)向橋前載荷過載保護(hù)裝置二維圖

1.2 三維ADAMS模型

MSC.ADAMS具有強大的機(jī)構(gòu)動力仿真分析功能[8-10]。在進(jìn)行ADAMS模型建立時，可將轉(zhuǎn)向橋前載荷過載保護(hù)裝置分為3部分：第一部分為連鎖；第二部分為聯(lián)接架，包括前耳板，下翼緣板、左右后耳板以及下鎖；其余諸如上翼緣板、腹板、左右后輪胎、左右后輪輞、轉(zhuǎn)向油缸以及后橋下配重等部件為第三部分。在建立ADAMS模型時可將第三部分用施加在聯(lián)接架上的等效力F加以簡化。各部分的質(zhì)量、質(zhì)心位置如表1所示，其中前耳板鉸點中心設(shè)定為坐標(biāo)系原點。從前向后的方向為OX軸，垂直向上方向為OY軸。

表1 過載保護(hù)裝置各部分質(zhì)量質(zhì)心數(shù)據(jù)表

圖2 防傾覆過載保護(hù)裝置ADAMS模型簡圖

轉(zhuǎn)向橋前載荷過載保護(hù)裝置ADAMS動力分析的等效模型如圖2所示。其中，對左、右后耳板與連鎖之間的柔性連接用線性彈性橡膠襯套來模擬實際工況下的動力學(xué)特性，即創(chuàng)建橡膠襯套；連鎖與下鎖之間創(chuàng)建接觸副，此外在左耳板鉸點以及連鎖鉸點處創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副[10]。其中連鎖鉤點和下鎖鉤點在自然狀態(tài)下的初始位置分別為H（0.842，-0.290，-0.04）和 D （0.885，-0.287，-0.04）。

2 仿真分析

2.1 仿真分析內(nèi)容

防傾覆過載保護(hù)裝置的ADAMS機(jī)構(gòu)動力分析主要包括：1）對連鎖與下鎖接觸距離、接觸力的分析計算為其材料剛度強度的選擇及設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。2）后耳板與連鎖之間的軸套位移及受力變化，連鎖以及前耳板各自鉸接點處的約束力分析對軸套的選擇有重要參考作用。3）明確連鎖鉤點、下鎖鉤點坐標(biāo)隨時間的變化情況對連鎖與下鎖機(jī)構(gòu)間隙設(shè)計起重要指導(dǎo)作用。

2.2 優(yōu)化分析設(shè)計

選擇合理的材料并調(diào)整橡膠襯套參數(shù)和接觸副的沖擊參數(shù)，可對防傾覆過載保護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，因為正面吊運車起吊額定載荷45 t時對各部位提出了很高的承力要求[4]。對兩組參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析設(shè)計：通過優(yōu)化橡膠襯套的參數(shù)，即調(diào)整平移剛度、平移阻尼、旋轉(zhuǎn)剛度、旋轉(zhuǎn)阻尼的大小，在滿足材料要求的前提下給出了合理的優(yōu)化設(shè)計方案。通過優(yōu)化接觸副參數(shù)，即調(diào)整沖擊函數(shù)IMPACT中的剛度、阻尼、力指數(shù)、穿透深度4個參數(shù)，在滿足材料要求的前提下給出了合理的優(yōu)化設(shè)計方案。

對上述模型進(jìn)行仿真，可得到由于過載導(dǎo)致連鎖與下鎖接觸距離、接觸力、接觸力矩，左右后耳板與連鎖之間的橡膠襯套位移、受力，連鎖、前耳板鉸接點處的約束力，連鎖鉤點、下鎖鉤點位置隨時間變化的仿真曲線，部分曲線如圖3～9所示。

圖3 連鎖與下鎖接觸距離隨時間的變化曲線

圖4 連鎖與下鎖接觸力隨時間的變化曲線

圖5 后耳板與連鎖之間的軸套位移隨時間的變化曲線

圖6 后耳板與連鎖之間的軸套受力隨時間的變化曲線

圖7 連鎖以及前耳板各自鉸接點處的約束力隨時間的變化曲線

圖8 連鎖鉤點H的X坐標(biāo)隨時間的變化曲線

圖9 下鎖鉤點D的X坐標(biāo)隨時間的變化曲線

3 結(jié)論

應(yīng)用ADAMS軟件對正面吊運車轉(zhuǎn)向橋前載荷過載保護(hù)裝置進(jìn)行了動力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，同時應(yīng)用于實際產(chǎn)品開發(fā)，得到如下結(jié)論：

1）圖3說明，連鎖與下鎖在0.015 s的時間就可接觸，抗傾覆保護(hù)反應(yīng)迅速。圖4說明，連鎖與下鎖接觸的最大作用力為80 kN且在0.031 1 s達(dá)到，平穩(wěn)時為25 040 N。

2）圖5說明，后耳板與連鎖之間的軸套位移不超過2 mm，平穩(wěn)時為0.736 mm。圖6說明，襯套最大受力接近35 kN，平穩(wěn)時為7 361 N。

3）從圖7看出，連鎖以及前耳板各自鉸接點處的最大約束力均達(dá)到50kN，平穩(wěn)后分別為18120N和31350N。

4）從圖8看出，連鎖鉤點H處X方向的最大位移為0.855-0.842=0.013 m=13 mm，穩(wěn)態(tài)位移為0.851 9-0.842≈0.010 m=10 mm。

5）從圖9看出，下鎖鉤點D處X方向的最大位移為0.8818-0.885=-0.0032m=-3.2mm，穩(wěn)態(tài)位移為0.8824-0.885=-0.002 6 m=-2.6 mm。

經(jīng)過仿真對比分析，本文提供的結(jié)果為最優(yōu)設(shè)計。同時，通過對產(chǎn)品測試和市場的實際檢驗，該設(shè)計確實可行，可用于類似產(chǎn)品的分析設(shè)計。

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[6]GB/T 5141-2005，平衡重式叉車穩(wěn)定性基本試驗[S].

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