舞臺(tái)交流變頻調(diào)速吊掛設(shè)備0類急停沖擊載荷的仿真試驗(yàn)研究

陳德潤(rùn)，方 劍，魏 星，龔奎成，胡仁榮，王 元，段慧文，李 利

（1.萬達(dá)文化旅游規(guī)劃研究院，北京 100022；2.原國(guó)家大劇院業(yè)主委員會(huì)，北京 100031；3.總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院 北京 100028）

舞臺(tái)交流變頻調(diào)速吊掛設(shè)備0類急停沖擊載荷的仿真試驗(yàn)研究

陳德潤(rùn)1，方 劍1，魏 星1，龔奎成1，胡仁榮1，王 元1，段慧文2，李 利3

（1.萬達(dá)文化旅游規(guī)劃研究院，北京 100022；2.原國(guó)家大劇院業(yè)主委員會(huì)，北京 100031；3.總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院 北京 100028）

針對(duì)舞臺(tái)交流變頻調(diào)速吊掛設(shè)備在0類急停工況下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬仿真研究和實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，分析0類停止時(shí)沖擊載荷的變化規(guī)律，得出此類舞臺(tái)吊掛設(shè)備的沖擊載荷數(shù)據(jù)，作為設(shè)計(jì)參考。

舞臺(tái)；吊掛設(shè)備；模擬仿真；0類急停；沖擊載荷

筆者將以舞臺(tái)交流變頻調(diào)速吊掛設(shè)備為對(duì)象，以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過動(dòng)力學(xué)仿真模型計(jì)算和實(shí)物試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析0類停止時(shí)沖擊載荷變化規(guī)律，提出沖擊載荷因子的取值范圍，供同類吊掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。

1 0類停止的基本概念

（1）按照GB 5226.1-2008《機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備 第1部分：通用技術(shù)條件》 9.2.2停止功能： 0類：用即刻切除機(jī)械致動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力的辦法停車（即不可控停止）；9.2.5.3停止：根據(jù)機(jī)械的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及機(jī)械的功能要求，應(yīng)提供0類、1類或2類停止；當(dāng)電源切斷開關(guān)操作時(shí)屬于0類停止；停止功能應(yīng)否定有關(guān)的起動(dòng)功能。

（2）按照GB 16754-2008《機(jī)械安全 急停 設(shè)計(jì)原則》 4.1.4急停功能：0類停機(jī)：通過以下方法停機(jī)：—立即切斷機(jī)器致動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，或機(jī)械斷開（停轉(zhuǎn)）危險(xiǎn)元件及其機(jī)器致動(dòng)機(jī)構(gòu)，必要時(shí)制動(dòng)。

2 舞臺(tái)交流變頻調(diào)速吊掛設(shè)備介紹

2.1 吊掛設(shè)備主要性能參數(shù)

此系統(tǒng)通過三相鼠籠交流異步電動(dòng)機(jī)和矢量變頻器驅(qū)動(dòng)吊掛設(shè)備，此系統(tǒng)速度可調(diào)，最大速度為1.5 m/s，運(yùn)動(dòng)部分最大重量為500 kg，升降行程30 m，吊點(diǎn)數(shù)量1。物理模型及參數(shù)如圖1和表1。

2.2 驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)計(jì)算選型

纖維芯鋼絲繩直徑Φ10-18X7-FC-1570-48.7 KN-39 kg/100 m，靜態(tài)安全系數(shù)9.9。

滑輪直徑250 mm，卷筒直徑420 mm。計(jì)算電機(jī)凈功率7.5 kW，選用11 kW。

靜載扭矩1 029 N·m，最大轉(zhuǎn)速68.2 r/p。

圖1 吊掛設(shè)備的物理模型

表1 技術(shù)性能表

表2 性能參數(shù)表

圖2 技術(shù)研究路線示意圖

選用SEW減速電機(jī)KA77DV160M4，額定功率11 kW，額定輸出轉(zhuǎn)速71 r/p，額定扭矩1480 N·m，減速比i=20.25，徑向力15 900 N，使用系數(shù)1.00，質(zhì)量120 kg。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1438 r/m，額定輸出扭矩73 N·m。額定升降速度1.56 m/s。

2.3 制動(dòng)器的制動(dòng)力矩

系統(tǒng)選用SEW電機(jī)DV160M4/DBM，配PRECIMA雙制動(dòng)器，型號(hào)為FDD20 180VDC/21x25 N·m，性能參數(shù)如表2。

說明：t1DC——同時(shí)切斷直流和交流電路的電氣響應(yīng)延遲時(shí)間；

t1AC——切斷交流電路的電氣響應(yīng)延遲時(shí)間；t2——制動(dòng)釋放響應(yīng)時(shí)間。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制柜采用SEW變頻器，調(diào)速區(qū)間0.015 m/s～1.5 m/s，系統(tǒng)具有0類停止功能。雙制動(dòng)器，一個(gè)快速制動(dòng)，一個(gè)延時(shí)制動(dòng)。設(shè)上下限位開關(guān)及極限開關(guān)共4個(gè)。

3 技術(shù)條件和技術(shù)路線

3.1 技術(shù)條件說明

（1）在不考慮高速軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼的情況下，簡(jiǎn)單分析在緊急制動(dòng)時(shí)鋼絲繩彈性產(chǎn)生的動(dòng)載荷系數(shù)，并作為模型研究的初步參考。

（2）研究SEW制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理，確定雙制動(dòng)器在快/慢速制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩和響應(yīng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)輸出曲線。

（3）分析0類停止時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)器和電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)理，研究系統(tǒng)負(fù)載扭矩、驅(qū)動(dòng)扭矩和制動(dòng)扭矩相互作用的瞬態(tài)特性。

（4）將滑輪作為一個(gè)阻尼元件考慮，考慮滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分析其在鋼絲繩拉力作用下的摩擦阻力關(guān)系。

（5）計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載質(zhì)量，考慮滑輪的阻尼效應(yīng)，以鋼絲繩為彈性元件，建立整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。以制動(dòng)力矩曲線為激勵(lì)，計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

（6）根據(jù)物理試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，修正理論模型中的軟參數(shù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出本項(xiàng)目要研究的主要技術(shù)指標(biāo)。

3.2 技術(shù)研究路線

技術(shù)研究路線如圖2所示。

4 模擬仿真研究

4.1 模型建立與初步仿真

根據(jù)吊掛系統(tǒng)的物理模型，分別建立等效力學(xué)模型、解析模型、虛擬仿真模型，并分別用SIMULINK微分方程組數(shù)值求解與ADAMS虛擬仿真。

4.2 基本假設(shè)

在建立動(dòng)力學(xué)模型之前，作出如下假設(shè)：

不考慮聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)彈性；考慮高速軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與被吊掛重物的重量；

考慮沿途所有滑輪的阻尼特性；鋼絲繩作為彈性元件，并考慮其被滑輪分割成三段的彈性變形。忽略鋼絲繩的質(zhì)量。

4.3 等效力學(xué)模型

圖3為系統(tǒng)等效力學(xué)模型。將模型進(jìn)行分解，分別對(duì)吊重部分、滑輪1、滑輪2以及軸處進(jìn)行受力分析，各分離體受力如圖4所示。

4.4 解析模型

（1）微分方程組

圖3 等效力學(xué)模型示意圖

其中，M——制動(dòng)力矩；m——吊重質(zhì)量；J1——滑輪1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2——滑輪2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J3——電機(jī)、減速器、卷筒折算到卷筒軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；K1——鋼絲繩一段跨度剛度；K2——鋼絲繩二段跨度剛度；K3——鋼絲繩三段跨度剛度；r1——滑輪1半徑；r2——滑輪2半徑；r3——卷筒半徑。

（2）求解方法

采用SIMULINK程序?qū)ι鲜鑫⒎址匠糖蠼?，圖5為SIMULINK程序框圖。

4.5 虛擬仿真模型

4.5.1 ADAMS虛擬仿真軟件

ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。

圖4 各分離體受力示意圖

圖5 SIMULINK程序框圖

4.5.2 ADAMS模型與參數(shù)

圖6（a）ADAMS虛擬仿真模型

圖6（b）鋼絲繩參數(shù)表

圖7（a） 電機(jī)制動(dòng)器單制動(dòng)力矩施加曲線

圖6（a）和圖6（b）分別是在ADAMS下建立的虛擬仿真模型和關(guān)鍵參數(shù)——鋼絲繩參數(shù)輸入對(duì)話框。預(yù)設(shè)的三個(gè)重要參數(shù)值分別為：鋼絲繩彈性模量（Young）=100 Gpa；鋼絲繩縱向剛度系數(shù)（Rkx）=1；鋼絲繩阻尼（Damping）=1E-5。預(yù)加載荷為吊重自重。

家中的女人牝雞司晨，總是喜歡爬到他的頭上來做窠拉屎，樂此不疲。人要是一倒霉，喝口涼水就塞牙，出門會(huì)碰到什么鳥屎落到頭頂上，一路上烏鴉愛不停地朝你叫。風(fēng)影弄不懂紅琴臉上的表情，有時(shí)候會(huì)莫名其妙的笑，詭譎而神秘，佛陀拈花微笑，他尚且略懂一二，她臉上的笑他實(shí)在弄不明白，而有時(shí)候她又會(huì)陰霾密布，比當(dāng)下那種霧霾天氣還要厲害，弄不好會(huì)突然炸出個(gè)驚雷來。多一事不如少一事，他現(xiàn)在總算淺層次地理解了一些師父話中的意思，山下的女人是老虎，老虎是要吃人的。

4.6 模型參數(shù)

4.6.1 基本參數(shù)

表3是SEW提供的電機(jī)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)數(shù)值。

卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3.5 kg·m2，減速機(jī)減速比i=20.25，驅(qū)動(dòng)單元整體折算到卷筒軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J3=（0.039 8+0.000 87）×20.252+3.5=20.177 2 kg·m2；

滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J1=J2=0.031 6 kg·m2；

其余各參數(shù)列于表4，其中鋼絲繩彈性模量為暫定值，需在試驗(yàn)后進(jìn)行修正。

4.6.2 制動(dòng)器參數(shù)

電機(jī)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩施加曲線如圖7（a）和圖7（b）所示。

仿真試驗(yàn)中暫取t1=50 ms，t2=50 ms，t3=150 ms，t4=200 ms，這四個(gè)時(shí)間值需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試確定。

4.7 數(shù)值計(jì)算與虛擬仿真的結(jié)果比較

為驗(yàn)證兩種模型和計(jì)算方法，選取一種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的工況分別用SIMULINK和ADAMS分別進(jìn)行仿真。該工況的基本參數(shù)是：0類停止、下降、1.5 m/s初速度、雙制動(dòng)、制動(dòng)力矩是電機(jī)額定力矩的1.25倍、鋼絲繩長(zhǎng)度x=10 m。仿真結(jié)果分別見圖8（a）和圖8（b）所示。

表3 SEW減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)

表4 SEW減速電機(jī)參數(shù)

圖7（b） 電機(jī)制動(dòng)器的雙制動(dòng)力矩施加曲線

從圖8（a）和圖8（b）可以看出，兩種仿真結(jié)果的振蕩趨勢(shì)完全相同，最大沖擊力和振動(dòng)周期的比較見表5。

由此可見，這兩種模型和計(jì)算方法是可信和一致的。

另外，從仿真結(jié)果中也可以看出，三段鋼絲繩的響應(yīng)曲線是一樣的，這是因?yàn)檠赝旧系幕嗈D(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼的影響太小。因此，試驗(yàn)中鋼絲繩沿途上布置的傳感器可以互為備份，其測(cè)量值應(yīng)該是基本相同的。

由于解析模型中忽略掉了鋼絲繩阻尼，而ADAMS虛擬模型中可以設(shè)置鋼絲繩阻尼系數(shù)，所以兩者的振幅衰減有所不同。同時(shí)，用ADAMS調(diào)整參數(shù)更方便，重復(fù)仿真的計(jì)算速度更快。因此，后面的仿真全部采用ADAMS虛擬仿真模型。

4.8 初步仿真

初步仿真的目的在于：驗(yàn)證ADAMS虛擬仿真模型的功能，能夠包含不同的影響因素。

表5 最大沖擊力和振動(dòng)周期的比較結(jié)果

圖8（a） SIMULINK仿真結(jié)果

圖8（b） ADAMS仿真結(jié)果（5.56 s時(shí)得到制動(dòng)信號(hào)）

為試驗(yàn)提供參考數(shù)據(jù)，有利于印證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

工況：負(fù)載5 kN，下降速度1.5 m/s，離地10 m時(shí)0類停止，雙制動(dòng)器（一快一慢），每個(gè)制動(dòng)器制動(dòng)力矩90 N·m，纖維芯鋼絲繩直徑10 mm。

仿真結(jié)果如下，圖9（a）是三段鋼絲繩上的拉力曲線，圖9（b）是電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。

5.56 s時(shí)開始斷電。斷電后，電機(jī)失去力矩輸出，制動(dòng)器尚未抱閘，出現(xiàn)溜車，鋼絲繩拉力下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。

大約50 ms后，制動(dòng)器抱閘，系統(tǒng)中施加了一個(gè)快速制動(dòng)力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，鋼絲繩拉力突然增大出現(xiàn)沖擊。

大約110 ms后，鋼絲繩拉力到達(dá)振蕩的峰值，超過了制動(dòng)力矩，制動(dòng)器打滑，電機(jī)轉(zhuǎn)速在下降過程中出現(xiàn)一段波動(dòng)。然后隨著負(fù)載力矩變小，電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降。

然后，鋼絲繩拉力持續(xù)振蕩，但負(fù)載力矩小于最大制動(dòng)力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速保持零。

可以看出，在0類停止工況下，最大沖擊力19 000 N，動(dòng)載系數(shù)3.8，振蕩周期0.23 s。

4.9 仿真小結(jié)

建立舞臺(tái)交流變頻調(diào)速吊掛系統(tǒng)的物理模型、等效力學(xué)模型、解析模型、虛擬仿真模型。

圖9（a） 三段鋼絲繩上的拉力曲線

圖9（b） 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

初步確定了模型中關(guān)于驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、鋼絲繩彈性模量、滑輪阻尼系數(shù)、鋼絲繩遲滯阻尼系數(shù)、驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩等參數(shù)。

分別用SIMULINK微分方程組數(shù)值求解與ADAMS虛擬仿真，驗(yàn)證了這兩種模型和計(jì)算方法是可信和一致的。后面的仿真全部采用ADAMS虛擬仿真模型。

用ADAMS進(jìn)行初步仿真，驗(yàn)證ADAMS虛擬仿真模型的功能性，也為試驗(yàn)提供參考數(shù)據(jù)。

初步的仿真結(jié)果顯示，0類停止時(shí)最大沖擊載荷系數(shù)達(dá)到3.8，振蕩周期約為0.23 ms。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)應(yīng)予以考慮。

仿真結(jié)果顯示，三段鋼絲繩的響應(yīng)曲線是一樣的，這是因?yàn)檠赝旧系幕嗈D(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼的影響太小。因此，試驗(yàn)中鋼絲繩沿途上布置的傳感器可以互為備份，其測(cè)量值應(yīng)該是基本相同的。

5 實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 測(cè)試內(nèi)容

（1）0類停止時(shí)變頻器的輸出特性，實(shí)時(shí)記錄每一次試驗(yàn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流等數(shù)據(jù)；

（2）0類停止時(shí)制動(dòng)器的響應(yīng)規(guī)律，比較快速制動(dòng)、慢速制動(dòng)時(shí)電氣和機(jī)械的響應(yīng)時(shí)間；

（3）0類停止時(shí)鋼絲繩沿途的沖擊載荷，測(cè)試吊重、減速機(jī)、轉(zhuǎn)向滑輪處的受力；

（4）0類停止時(shí)吊重的位移和振蕩幅度，記錄吊重的位移曲線，分析吊重的振蕩幅度。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

5.2.1 制動(dòng)器特性試驗(yàn)

制動(dòng)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工況為1.5 m/s的速度，下降到10 m位置時(shí)0類停車，以500 kg載荷為主，190 kg為輔，分別將制動(dòng)器調(diào)成單快、單慢、一快一慢、雙快、雙慢五種制動(dòng)方式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（電流、轉(zhuǎn)速、載荷）進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）制動(dòng)方式

500 kg吊重1.5 m/s下降時(shí)0類停止，不同制動(dòng)方式下，鋼絲繩沖擊載荷和振蕩周期進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，如表6所示。

總結(jié)上面的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

500 kg吊重1.5 m/s下降時(shí)0類停止，按沖擊由小到大排列，制動(dòng)方式分別為：?jiǎn)温㈦p慢、單快、一快一慢、雙快，動(dòng)載系數(shù)分別為2.17、2.24、3.02、3.53、3.70。

目前常規(guī)接法，1類停止時(shí)，雙制動(dòng)器是一快一慢工作的；按此接法不變，0類停止時(shí)，雙制動(dòng)器也是一快一慢工作的。

（2）制動(dòng)時(shí)間

鋼絲繩載荷數(shù)據(jù)通道2中從斷電到第一次出現(xiàn)拉力谷值的時(shí)間計(jì)為t1，從斷電到第一次峰值的時(shí)間計(jì)為t2；電機(jī)轉(zhuǎn)速中從斷電到電機(jī)轉(zhuǎn)速峰值的時(shí)間計(jì)為t3，從斷電到轉(zhuǎn)速為0的時(shí)間計(jì)為t4。t1和t3反映出制動(dòng)力矩開始施加后的效果，t2和t4反映出制動(dòng)力矩完全施加后的效果。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表7。

總結(jié)上面的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

快速制動(dòng)時(shí)，電氣延遲時(shí)間短，制動(dòng)力矩施加時(shí)間短；慢速制動(dòng)時(shí)，電氣延遲時(shí)間長(zhǎng)，制動(dòng)力矩施加時(shí)間長(zhǎng)。

隨負(fù)載增大，制動(dòng)器打滑的時(shí)間延長(zhǎng)，最終停止的時(shí)間也延長(zhǎng)。

試驗(yàn)所用制動(dòng)器在快速制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間約為30 ms～40 ms，做功時(shí)間約為100 ms左右。

試驗(yàn)所用制動(dòng)器在慢速制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間約為130 ms～140 ms，做功時(shí)間約為250 ms左右。

表7 不同制動(dòng)方式下制動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)

圖11（a）修正前的吊掛系統(tǒng)急停沖擊載荷仿真測(cè)量結(jié)果

圖11（b）修正后的吊掛系統(tǒng)急停沖擊載荷仿真測(cè)量結(jié)果

（注：以上數(shù)據(jù)是根據(jù)本物理模型試驗(yàn)結(jié)果粗略估算的，提供給對(duì)比仿真使用。僅供參考，各個(gè)制動(dòng)器會(huì)有偏差。）

5.2.2 0類停止升降/速度對(duì)比試驗(yàn)

把7種上升和下降速度（0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0）下0類停止得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可見，隨著初始速度的提高，沖擊載荷越來越大，振蕩周期越來越長(zhǎng)；同等條件下的0類停止，下降過程中比上升過程中產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)大，振蕩周期長(zhǎng)。具體見表8。繪制成曲線如圖10所示。

5.2.3 0類停止高度對(duì)比試驗(yàn)（停止高度是指懸掛物離地面高度）

通過對(duì)停止高度5 m、10 m、15 m時(shí)0類停止的1.5 m/s速度下降試驗(yàn)數(shù)據(jù)（電流、轉(zhuǎn)速、載荷）的對(duì)比分析，停止位置越高，鋼絲繩長(zhǎng)度越短，其整體剛度越大，對(duì)應(yīng)的鋼絲繩最大拉力應(yīng)越大。匯總見表9。

表8 不同上升和下降速度下的參數(shù)值

表9 不同停止高度、不同長(zhǎng)度鋼絲繩的參數(shù)對(duì)比

圖10 不同上升和下降速度下的參數(shù)曲線

6 試驗(yàn)后仿真修正

6.1 參數(shù)修正

ADAMS虛擬模型能夠較好地對(duì)吊掛系統(tǒng)的急停沖擊載荷進(jìn)行仿真測(cè)量，但由于模型中部分參數(shù)取值不夠準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不能夠完全吻合。

為此，以吊掛系統(tǒng)為對(duì)象，進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正，完善理論分析結(jié)果。

修正的目標(biāo)是確保仿真和實(shí)體試驗(yàn)的最大沖擊力和震蕩周期相吻合。在此基礎(chǔ)上，修正阻尼系數(shù)使衰減大致相當(dāng)。見圖11（a）和圖11（b）。

對(duì)比各種試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真，不斷修正鋼絲繩的參數(shù)，使仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨于吻合。最終確定鋼絲繩彈性模量：55.5 Gpa；鋼絲繩縱向剛度系數(shù)：1.02；鋼絲繩阻尼系數(shù)：2e-4。與原初始值差別較大的原因，可能是鋼絲繩沒有充分進(jìn)行預(yù)應(yīng)力拉伸，也可能是繩芯不同的影響。

表10 修正后的鋼絲繩彈性模量和制動(dòng)器四個(gè)延時(shí)時(shí)間參數(shù)值

圖12（a） 鋼絲繩上的拉力曲線

圖12（b） 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖12（c） 吊點(diǎn)位移振蕩曲線

修正后的鋼絲繩彈性模量和制動(dòng)器四個(gè)延時(shí)時(shí)間參數(shù)值列于表10。

6.2 試驗(yàn)與仿真對(duì)比

工況：負(fù)載5 kN，下降速度1.5 m/s，離地10 m時(shí)0類停止，雙制動(dòng)器（一快一慢），每個(gè)制動(dòng)器制動(dòng)力矩90 N·m，纖維芯鋼絲繩直徑10 mm。

仿真與試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比如圖12（a）、圖12（b）和圖12（c），從上至下三個(gè)圖依次為鋼絲繩上的拉力曲線、電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線、吊點(diǎn)位移振蕩曲線。

從圖12（a）、圖12（b）和圖12（c）中可以看出，試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本吻合。

5.557 s時(shí)開始斷電。斷電后，電機(jī)失去力矩輸出，制動(dòng)器尚未抱閘，出現(xiàn)溜車，鋼絲繩拉力下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。

大約35 ms后，第一個(gè)制動(dòng)器抱閘，系統(tǒng)中施加了一個(gè)快速制動(dòng)力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，鋼絲繩拉力突然增大出現(xiàn)沖擊。

過大約85 ms后，電機(jī)轉(zhuǎn)速降為零。

再過大約70 ms后，鋼絲繩拉力到達(dá)振蕩的峰值，但負(fù)載力矩小于最大制動(dòng)力矩，鋼絲繩拉力持續(xù)振蕩并衰減，電機(jī)轉(zhuǎn)速保持零。此時(shí)，第二個(gè)制動(dòng)器抱閘，系統(tǒng)中又施加了一個(gè)慢速制動(dòng)力矩，慢速制動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)已無影響，只起到靜態(tài)的安全作用。

可以看出，在0類停止工況下，最大沖擊力17 900 N，動(dòng)載系數(shù)3.58，振蕩周期約0.43 s。

與試驗(yàn)前初步仿真結(jié)果比較，在電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降階段，現(xiàn)結(jié)果中沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象。分析原因主要有：制動(dòng)器力矩大于標(biāo)稱力矩值，仿真參數(shù)取110 N·m；初步仿真時(shí)，制動(dòng)器的響應(yīng)延遲時(shí)間和力矩施加時(shí)間取值都偏大；初步仿真時(shí)，鋼絲繩的剛度取值偏大，振蕩周期較小。也是由于同樣的原因，比較初步仿真結(jié)果而言，現(xiàn)結(jié)果中的動(dòng)載系數(shù)較小，振蕩周期較大。

6.3 關(guān)于速度因素的仿真分析

ADAMS虛擬仿真模型得到試驗(yàn)驗(yàn)證后，可以將模型推廣應(yīng)用。很有現(xiàn)實(shí)意義的一個(gè)問題就是：不同設(shè)計(jì)速度的卷?yè)P(yáng)機(jī)，它們的最大沖擊載荷會(huì)有多大？

下面通過虛擬模型仿真，總結(jié)出一組0類停止時(shí)最大沖擊載荷關(guān)于速度因素的規(guī)律性數(shù)據(jù)。

（1）不同速度的仿真

吊重5 kN不變，升降速度變化時(shí)，吊掛系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)組件需設(shè)計(jì)不同的電機(jī)、減速機(jī)、制動(dòng)器、卷筒，分別見表11所示。

（2）不同速度的仿真分析

圖13（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）分別是1 m/s～6 m/s的吊掛系統(tǒng)速度與動(dòng)載系數(shù)的仿真圖。

將圖13（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）6組曲線合并到一起對(duì)比如圖13（g）。

從設(shè)計(jì)速度為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 m/s的吊掛系統(tǒng)的最大沖擊載荷對(duì)比中，可以得出以下結(jié)論：

圖13（a） 1 m/s時(shí)吊掛系統(tǒng)速度與動(dòng)載系數(shù)的仿真圖

圖13（b） 2 m/s時(shí)吊掛系統(tǒng)速度與動(dòng)載系數(shù)的仿真圖

圖13（c） 3 m/s時(shí)吊掛系統(tǒng)速度與動(dòng)載系數(shù)的仿真圖

圖13（d） 4 m/s時(shí)吊掛系統(tǒng)速度與動(dòng)載系數(shù)的仿真圖

圖13（e） 5 m/s時(shí)吊掛系統(tǒng)速度與動(dòng)載系數(shù)的仿真圖

圖13（f） 6 m/s時(shí)吊掛系統(tǒng)速度與動(dòng)載系數(shù)的仿真圖

圖13（g） 1m/s～6 m/s時(shí)吊掛系統(tǒng)速度與動(dòng)載系數(shù)的仿真圖

表11

其他條件不變的情況下，設(shè)計(jì)速度越快的系統(tǒng)，沖擊載荷越大。

對(duì)于設(shè)計(jì)速度超過3.0 m/s的系統(tǒng)，當(dāng)超過一定速度時(shí)，最大沖擊載荷不再增加。這是因?yàn)?，?dāng)制動(dòng)盤摩擦力矩不足以克服鋼絲繩沖擊力引起的負(fù)載力矩時(shí)，制動(dòng)器開始打滑。這個(gè)速度可命名為拐點(diǎn)速度。

當(dāng)小于拐點(diǎn)速度時(shí)，沖擊力和速度呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。

上述結(jié)果匯總?cè)绫?2所示。

6.4 結(jié)論

（1）以舞臺(tái)交流變頻調(diào)速吊掛系統(tǒng)為對(duì)象，進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正。

表12 不同設(shè)計(jì)速度下吊掛系統(tǒng)的動(dòng)載系數(shù)和拐點(diǎn)速度

（2）通過試驗(yàn)與仿真的對(duì)比和分析，兩者結(jié)果基本吻合，證明了虛擬仿真模型的準(zhǔn)確性。

（3）就試驗(yàn)設(shè)備在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下得出的0類停止最大沖擊載荷系數(shù)，以供同類設(shè)備設(shè)計(jì)參考。

（4）按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的此類設(shè)備，建議速度不要過大（如超過3 m/s），否則在0類停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)器打滑。

[1] GB 5226.1-2008 機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備 第1部分：通用技術(shù)條件[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2] WH/T 28—2007 舞臺(tái)機(jī)械臺(tái)上設(shè)備安全. 中國(guó)演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會(huì)演出場(chǎng)館設(shè)備專業(yè)委員會(huì). 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] GB 16754-2008 機(jī)械安全 急停 設(shè)計(jì)原則[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[4] GB 6067.1-2010 起重機(jī)械安全規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[5] GB/T 16855.1-2008 機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件 第1部分：設(shè)計(jì)通則[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[6] 段慧文，鄭輝，魏發(fā)孔等. 舞臺(tái)機(jī)械工程與舞臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)戲劇出版社，2013.

（編輯 薛云霞）

Experimental Investigation of the 0 Category Stop Impact Load about Stage AC Variable Speed Rigging Equipment

CHEN De-run1, FANG Jian1, WEI Xing1, GONG Kui-cheng1, HU Ren-rong1, WANG Yuan1, DUAN Hui-wen2, LI Li3
(1. Wanda Cultural Tourism Planning & Research Institute, Beijing 310000, China; 2. Owners Committee of the National Grand Theatre, Beijing 100031, China; 3. The General Armament Department of Engineering Design and Research Institute, Beijing 100028, China)

In this paper, dynamics simulations and physical test validations were done aiming at stage AC variable speed rigging equipment on the condition of 0 category emergency stop. Additionally, the variation of the impact load was analized to arrive at the impact loads data of these stage rigging equipments as a design reference.

stage; rigging equipment; simulation; 0 category emergency stop; impact load

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.07.009