鐵路救援起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

楊明軒，胡 蓉

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031;2.成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系，成都 610031)

鐵路是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，鐵路運(yùn)輸事故搶險(xiǎn)救援工作是確保鐵路運(yùn)輸安全、高效的關(guān)鍵保障。近幾年的鐵路事故救援中，隨著對(duì)救援效率要求的不斷提高，已經(jīng)有越來(lái)越多的鐵路救援起重機(jī)投入使用。然而，由于設(shè)計(jì)或操作失誤，起重機(jī)傾覆事故在國(guó)內(nèi)屢有發(fā)生。在我國(guó)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB3811—2008)中，針對(duì)各種流動(dòng)式起重機(jī)，規(guī)定了在典型工況下抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算方法，起重機(jī)的穩(wěn)定性判據(jù)為:對(duì)于起重機(jī)危險(xiǎn)傾覆邊的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩之和是否大于零。若大于零，則起重機(jī)穩(wěn)定，否則就會(huì)有傾覆的危險(xiǎn)。雖然目前對(duì)于鐵路救援起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性已經(jīng)有了一套相對(duì)成熟的計(jì)算校核方法，但由于過程復(fù)雜繁瑣，且難免會(huì)出現(xiàn)疏忽及錯(cuò)誤，使得設(shè)計(jì)效率以及設(shè)計(jì)的安全性難以得到保障，這給起重機(jī)的實(shí)際操作帶來(lái)了極大的隱患，一旦出現(xiàn)傾覆事故，將造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為此，本文設(shè)計(jì)了一種救援起重機(jī)穩(wěn)定性模塊化分析系統(tǒng)，根據(jù)用戶提供的具體救援工況下的各種物理參數(shù)，借助物理引擎仿真軟件，通過一系列物理運(yùn)算，將鐵路救援起重機(jī)的穩(wěn)定性分析結(jié)果以動(dòng)畫的形式直觀地表達(dá)出來(lái)。

圖1 起重機(jī)整體受力圖

1 鐵路救援起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性分析原理

目前，國(guó)際上一般采用3種方法對(duì)起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行校核:力矩法，穩(wěn)定系數(shù)法和按臨界傾覆載荷標(biāo)定額定起重量法?，F(xiàn)以力矩法為例，介紹起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算校核的運(yùn)算原理。

力矩法可以描述為:在最不利的載荷條件下，計(jì)算包括起重機(jī)自重在內(nèi)的各項(xiàng)載荷對(duì)于起重機(jī)危險(xiǎn)傾覆邊的力矩之和，其中起穩(wěn)定作用的力矩為正，起傾覆作用的力矩為負(fù)［2］。若力矩之和大于零，則起重機(jī)穩(wěn)定。起重機(jī)整體受力情況如圖1所示，由于起重機(jī)吊臂形態(tài)對(duì)穩(wěn)定性分析影響較大，故將吊臂和起重機(jī)分別計(jì)算。由圖1可知，由于起重機(jī)工作時(shí)要向后方伸出配重塊，故起重機(jī)自身重心要比其物理中心靠后，兩者水平距離為R2，起重機(jī)自身重力的力矩相對(duì)于傾覆邊為正，起穩(wěn)定作用，表達(dá)式為G2=(R2+a)。而吊臂重力力矩與起吊物重力在起重機(jī)傾覆邊之外，故力矩相對(duì)于傾覆邊為負(fù)，起傾覆作用，表達(dá)式為－kaG1(R－a)及－kpQ(R－a)，其中ka，kp為載荷系數(shù)，當(dāng)起重機(jī)處于無(wú)風(fēng)靜載狀態(tài)下時(shí)，ka=1，kp=1.25－0.1(Gb/Pq)(其中Gb為起重臂架等效到臂端的重量，Pq為起升載荷)。其力矩法的通式為:

分析計(jì)算過程中將鐵路起重機(jī)各個(gè)部件的形態(tài)和位置作為考慮因素，各項(xiàng)載荷與力的方向及其影響均要滿足實(shí)際可能出現(xiàn)的最不利載荷組合的原則。該分析計(jì)算方法的假定條件是起重機(jī)在無(wú)風(fēng)環(huán)境下，堅(jiān)實(shí)、水平的支撐面上或軌道上工作。若起重機(jī)工作環(huán)境有風(fēng)力影響或者在傾斜面上工作，應(yīng)在計(jì)算過程中考慮到相應(yīng)的影響并加以說(shuō)明。

由此可以看出，由于起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析計(jì)算復(fù)雜，涉及到多個(gè)層面的各種參數(shù)，往往會(huì)出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤或考慮不周等情況，給救援過程埋下了事故隱患。所以，尋求一種可靠、高效的穩(wěn)定性計(jì)算校核方法，有著非常重要的意義。

近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)物理仿真運(yùn)算的物理引擎技術(shù)逐漸受到設(shè)計(jì)人員的重視。物理引擎是一種針對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行仿真的底層運(yùn)算模塊，可通過對(duì)剛性或柔性物體賦予不同的物理屬性，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)原理，計(jì)算并仿真出與實(shí)際情況一致的物理行為。物理引擎擁有強(qiáng)大的三維物理運(yùn)算和顯示功能，支持鐵路救援起重機(jī)這種多剛體系統(tǒng)物理狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析，為起重機(jī)設(shè)計(jì)者省去了復(fù)雜的穩(wěn)定性算法設(shè)計(jì)，并能夠添加更多的影響因素，從而提高了穩(wěn)定性分析的效率和精確度。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了保證系統(tǒng)內(nèi)各部分責(zé)任明確，并方便日后的維護(hù)和升級(jí)，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分的功能進(jìn)行分析比較，將彼此相似的功能封裝起來(lái)，形成一個(gè)模塊［3］。各個(gè)模塊之間通過既定接口進(jìn)行信息傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3 參數(shù)輸入界面

2.1 人機(jī)交互模塊

用戶通過人機(jī)交互模塊的“參數(shù)信息輸入界面”(如圖3所示)將起重機(jī)自身主要參數(shù)，既定救援工況參數(shù)以及對(duì)起重機(jī)的操作命令傳給分析模塊。

其中起重機(jī)自身主要參數(shù)為在分析模塊中生成虛擬起重機(jī)提供依據(jù)，可以通過2種方法設(shè)定:1)直接在界面中分別輸入起重機(jī)的自身參數(shù)，包括個(gè)主要部件尺寸，重量等;2)在界面中輸入鐵路救援起重機(jī)的型號(hào)，根據(jù)型號(hào)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找相應(yīng)起重機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。前者可以通過自定義參數(shù)來(lái)驗(yàn)證特殊結(jié)構(gòu)或處于設(shè)計(jì)中的起重機(jī)型號(hào)，后者可以根據(jù)起重機(jī)型號(hào)方便地調(diào)出對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)，驗(yàn)證已有型號(hào)起重機(jī)的穩(wěn)定性。

另外，還需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求為鐵路救援起重機(jī)假定一種特定的工作環(huán)境，包括天氣、地形、事故種類等。將既定的工況參數(shù)通過界面?zhèn)鹘o分析模塊，據(jù)此生成相應(yīng)的救援場(chǎng)景。

最后，通過界面上的控件模擬對(duì)起重機(jī)的操作，如吊索升降、車體旋轉(zhuǎn)等。將操作命令發(fā)送至分析模塊，據(jù)此對(duì)起重機(jī)的物理狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算分析。

2.2 分析模塊及關(guān)鍵技術(shù)

分析模塊基于一種視景仿真軟件搭建，預(yù)先加載一個(gè)自帶默認(rèn)參數(shù)的虛擬起重機(jī)和虛擬救援場(chǎng)景。通過接收界面?zhèn)鬟M(jìn)來(lái)的起重機(jī)自身參數(shù)和工況參數(shù)，修改默認(rèn)值，使之符合分析需求。

分析模塊集成了與救援起重機(jī)動(dòng)作形態(tài)相關(guān)的所有物理因素，包括外觀、位置、速度、質(zhì)量、慣性、加速度、彈性、摩擦以及來(lái)自外界的地形、風(fēng)力等［4］，能夠非常逼真地模擬出救援起重機(jī)在實(shí)際操作過程中的各項(xiàng)物理動(dòng)作，實(shí)時(shí)計(jì)算并定位出起重機(jī)的整體重心位置。當(dāng)救援起重機(jī)的物理形態(tài)達(dá)到傾覆條件時(shí)，向用戶發(fā)出警告并借助以上參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行各個(gè)物體間的碰撞檢測(cè)計(jì)算。如果操作人員繼續(xù)執(zhí)行錯(cuò)誤操作，則起重機(jī)發(fā)生傾覆事故。分析模塊將起重機(jī)傾覆事故發(fā)生過程的物理形態(tài)仿真出來(lái)，獲得事故結(jié)果的真實(shí)預(yù)演。

如圖4所示，該仿真計(jì)算流程中的仿真計(jì)算環(huán)節(jié)整合了較為準(zhǔn)確高效的物理引擎計(jì)算模塊，使該模塊能夠在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算的情況下，保證模塊輸出結(jié)果的精確度。同時(shí)，由于采用循環(huán)回調(diào)式仿真流程設(shè)計(jì)，每一幀的仿真結(jié)果都是根據(jù)反饋的鉸接狀態(tài)及上一幀的物理參數(shù)計(jì)算獲得，從而使輸出結(jié)果真實(shí)平滑，無(wú)跳變突變等異常情況發(fā)生，方便下一步生成逼真的仿真視景。

分析模塊對(duì)起重機(jī)實(shí)時(shí)分析所用到的典型參數(shù)和得到的主要結(jié)果，將會(huì)傳給人機(jī)交互模塊的“仿真結(jié)果輸出界面”，包括起重機(jī)主要部件的物理狀態(tài)，對(duì)起重機(jī)穩(wěn)定性造成影響的環(huán)境因素，整車傾覆力矩等，同時(shí)將這些信息以三維動(dòng)畫的形式展現(xiàn)出來(lái)，使分析結(jié)果更加直觀，如圖5所示。

圖5 起重機(jī)正常工作和傾覆瞬間對(duì)比圖

2.3 數(shù)據(jù)存取模塊

數(shù)據(jù)存取模塊存儲(chǔ)了一系列常見起重機(jī)的自身參數(shù)，可以根據(jù)起重機(jī)型號(hào)查找并輸出給分析模塊。以NS1601型鐵路起重機(jī)為例，表1列出了數(shù)據(jù)模塊中保存的部分相關(guān)參數(shù)。

數(shù)據(jù)存取模塊還負(fù)責(zé)將每次仿真分析的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括起重機(jī)參數(shù)信息，救援環(huán)境信息以及對(duì)起重機(jī)的順序操作命令以及最終得到的分析結(jié)果保存起來(lái)，方便以后查驗(yàn)。

表1 NS1601起重機(jī)部分參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文在分析了現(xiàn)有鐵路救援起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析方法局限性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于物理引擎的模塊化設(shè)計(jì)方法，可以通過自行設(shè)定或自選型號(hào)2種方式來(lái)驗(yàn)證救援起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性。通過分析模塊的仿真計(jì)算，提高了抗傾覆穩(wěn)定性的分析效率和計(jì)算準(zhǔn)確性。模塊化的設(shè)計(jì)方式保存了系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊的獨(dú)立性，使該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的普適性和移植能力，方便以后的功能擴(kuò)展。

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