鶴式起重機(jī)三維建模及運(yùn)動(dòng)特性分析

陳照中，劉從權(quán)

（霍邱縣農(nóng)機(jī)校，安徽 霍邱 237400）

起重機(jī)械廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、港口碼頭、車站倉(cāng)庫(kù)、建筑工地、海洋開發(fā)、宇宙航行等各個(gè)工業(yè)部門，可以說陸地、海洋、空中、民用、軍用各個(gè)方面都有起重機(jī)械在進(jìn)行著有效的工作；起重機(jī)械與運(yùn)輸機(jī)械發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為合理組織大量生產(chǎn)和機(jī)械化流水作業(yè)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要標(biāo)志之一。本文將根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的理論基礎(chǔ)和運(yùn)動(dòng)特性，首先在UG環(huán)境下搭建簡(jiǎn)化的起重機(jī)三維模型，而后以Parasolid格式作為信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)將三維CAD模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行多體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，研究其動(dòng)力學(xué)特性。就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，動(dòng)力學(xué)分析既是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，又是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。因此，對(duì)鶴式起重機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 鶴式起重機(jī)結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)

鶴式起重機(jī)是以間歇、重復(fù)工作方式，將重物通過起重吊鉤或其他吊具懸掛在承載構(gòu)件（如鋼絲繩、鏈條）上進(jìn)行起升、下降，或升降與運(yùn)移的機(jī)械設(shè)備，具有短暫重復(fù)的循環(huán)作業(yè)的工作特征。一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間一般只有幾十秒到幾分鐘，最長(zhǎng)也不過一二十分鐘，工作循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短不僅取決于起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，而且也依賴裝卸物料的輔助時(shí)間的長(zhǎng)短。鶴式起重機(jī)常見于港口碼頭，它是一種四桿機(jī)構(gòu)，它的原動(dòng)桿為尾部的配重，它設(shè)計(jì)的時(shí)候要求起吊平穩(wěn)、起吊后平移，它對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡要求較高，如圖1所示起重機(jī)中，當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)ABCD的構(gòu)件CD擺動(dòng)時(shí)，連桿BC上懸掛重物的E在近似在水平直線上移動(dòng)，以避免不必要的升降，減少能量消耗。

2 鶴式起重機(jī)三維建模

由圖1鶴式起重機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看出，其實(shí)際上就是平面四連桿機(jī)構(gòu)在社會(huì)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用，更具體地講是雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上流行的三維CAD軟件種類繁多 ， 主要有Solidworks、SolidEdge、I—DEAS、Unigraphics、PRO/E、CATIA、……我們進(jìn)行CAD支撐軟件選擇時(shí)，主要考慮了以下點(diǎn)：①軟件技術(shù)的領(lǐng)先性和技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展性；②用戶群的數(shù)量；③軟件功能模塊的豐富程度；④軟件的易學(xué)易用性；⑤是否有功能強(qiáng)大、高效率的二次開發(fā)模塊。Unigraphics（簡(jiǎn)稱UG）是當(dāng)前世界上最先進(jìn)和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAD/CAE/CAM高端軟件。作為一個(gè)集成的全面產(chǎn)品工程解決方案，UG軟件家族使得用戶能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲得三維產(chǎn)品定義；所以，UG軟件被當(dāng)今許多世界領(lǐng)先的制造商用來從事概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、詳細(xì)的機(jī)械設(shè)計(jì)以及工程仿真和數(shù)字化制造等各項(xiàng)工作。因此，在本次研究中對(duì)起重機(jī)進(jìn)行三維建模選擇UG作為支撐軟件，所建立的鶴式起重機(jī)三維實(shí)體裝配模型如圖2所示。

3 運(yùn)動(dòng)分析

3.1 建立多體動(dòng)力學(xué)仿真模型

將UG環(huán)境中建立的鶴式起重機(jī)三維模型以Parasolid格式文件導(dǎo)入到ADAMS （Automatic Dynamic Anaylsis of Mechanical Systems）軟件中，建立多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，施加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副約束后，即可進(jìn)行起重機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS是美國(guó)MDI（MechanicalDynamics Inc）公司開發(fā)的非常著名的虛擬樣機(jī)分析軟件，也是世界上應(yīng)用最廣泛且最具有權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。工程師、設(shè)計(jì)人員利用ADAMS軟件能夠建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。

圖1 鶴式起重機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 鶴式起重機(jī)三維實(shí)體模型

利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型。該模型既可以是在ADAMS軟件中直接建造的幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中傳過來的造型逼真的幾何模型。然后，在幾何模型上施加力/力矩和運(yùn)動(dòng)激勵(lì)。最后執(zhí)行一組與實(shí)際狀況十分接近的運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試，所得的測(cè)試結(jié)果就是機(jī)械系統(tǒng)工作過程的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。過去需要數(shù)星期、數(shù)月才能完成的建造和測(cè)試物理樣機(jī)的工作，現(xiàn)在利用ADAMS軟件僅需幾個(gè)小時(shí)就可以完成，并能遠(yuǎn)在物理樣機(jī)建造前，就可以知道各種設(shè)計(jì)方案的樣機(jī)是如何工作的。

具體到研究起重機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，建立起重機(jī)仿真模型時(shí)，需遵循以下3個(gè)典型的基本步驟：①起重機(jī)系統(tǒng)的物理抽象；②獲取模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)（幾何定位）參數(shù)，建立抽象系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件、約束，從而建立運(yùn)動(dòng)模型，校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖杂啥群驼_性；③獲得模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力學(xué)特性，定義模型中部件、鉸鏈與彈性元件及外界條件。利用ADAMS軟件所建立動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖3所示。

圖3 施加運(yùn)動(dòng)副約束后的動(dòng)力學(xué)仿真模型

3.2 ADAMS軟件環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)仿真

仿真模型是在計(jì)算機(jī)中建立的反映產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征和屬性數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)產(chǎn)品模型，它是進(jìn)行仿真、分析、優(yōu)化的基礎(chǔ)。對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品，其三維幾何模型的建立、產(chǎn)品預(yù)裝配通常在CAD軟件（如 UG、Pro/E等）中完成；然后通過格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入ADAMS環(huán)境。利用ADAMS軟件約束庫(kù)中的約束建立各個(gè)物體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；并通過施加力、力矩或者運(yùn)動(dòng)、以使模型按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)仿真的同時(shí)，可以對(duì)產(chǎn)品感興趣的零件運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置測(cè)量，繪制仿真結(jié)果曲線。通過對(duì)曲線數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以驗(yàn)證模型的正確性，同時(shí)，確定是否需要修正模型。起重機(jī)虛擬樣機(jī)在ADAMS軟件中的運(yùn)動(dòng)過程仿真見圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)過程仿真圖

圖4 中為起重機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真過程中的具有代表的四處位置，鶴嘴上懸掛重物的滑輪中心近似在水平直線上移動(dòng)，這樣可以避免不必要的升降，以減少能量消耗。通過初步仿真分析，確定模型的基本運(yùn)動(dòng)后就可以在模型中增加更復(fù)雜的因素以細(xì)化模型；為了便于比較不同的設(shè)計(jì)方案，可以通過修改設(shè)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)地修改整個(gè)模型，提高工作效率。另外，在仿真模型驗(yàn)證正確的基礎(chǔ)上，可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)置可控參數(shù)，根據(jù)需求，有目的地對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，尋找系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著新世紀(jì)全球工業(yè)格局的新變化和我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平的快速發(fā)展，創(chuàng)新設(shè)計(jì)越來越引起各行各業(yè)的重視；起重機(jī)市場(chǎng)近年來也異常的活躍起來，這無疑給起重機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了更高層次的發(fā)展要求，有關(guān)起重機(jī)的的安全可靠性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究愈來愈受到人們的重視。本文采用UG軟件和ADAMS軟件聯(lián)合建立起重機(jī)建模并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析的方法，為改進(jìn)機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕量化方面探索了一條高效的捷徑，具有重要的工程實(shí)際意義。