起重機(jī)設(shè)計(jì)虛擬仿真技術(shù)研究

楊書強(qiáng)

（柳州市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣西 柳州 545006）

起重機(jī)設(shè)計(jì)虛擬仿真技術(shù)研究

楊書強(qiáng)

（柳州市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣西 柳州 545006）

隨著城市工程建設(shè)的進(jìn)程逐漸加深，起重機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中常見的運(yùn)輸設(shè)備，起重機(jī)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化。但隨著科技的發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)的需求，對(duì)起重機(jī)械的要求越來越高，傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)已經(jīng)難以滿足使用要求。本文介紹了傳統(tǒng)的起重機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)方法和虛擬仿真技術(shù)方法，在ADAMS平臺(tái)上對(duì)起重機(jī)進(jìn)行虛擬仿真分析和研究。

起重機(jī)械；虛擬仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

起重機(jī)械是工業(yè)生產(chǎn)以及生活中常見的運(yùn)輸設(shè)備，大大提高了生產(chǎn)效率。起重機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是多種多樣的，由各種鋼構(gòu)件連接而成，在鋼結(jié)構(gòu)的不同功能部件之中有操作、驅(qū)動(dòng)、控制等電氣結(jié)構(gòu)。如果起重機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝不科學(xué)、不合理，則在使用過程中會(huì)出現(xiàn)很多安全問題，如主梁折斷、鋼絲繩斷導(dǎo)致的吊物墜落、吊鉤破斷、觸電等?；谔摂M仿真的設(shè)計(jì)技術(shù)利用虛擬技術(shù)對(duì)起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真及動(dòng)態(tài)分析，得出其實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)特性，在一定程度上優(yōu)化了設(shè)計(jì)，為提高起重機(jī)質(zhì)量提供了保障。

1 起重機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀

我國起重機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，從優(yōu)秀的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中吸取了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)后，走向了自主研發(fā)和設(shè)計(jì)的道路，朝著大型化、高速化、專業(yè)化的方向邁進(jìn)，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開始進(jìn)入全數(shù)字化控制驅(qū)動(dòng)、可編程控制、故障診斷和數(shù)據(jù)管理的技術(shù)領(lǐng)域。但是也存在一些問題，如核心部件的技術(shù)水平還欠缺，與國外先進(jìn)技術(shù)相比，需要不斷提高設(shè)計(jì)水平，收集設(shè)備的故障，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)技術(shù)，，同時(shí)提高制造水平，特別是在細(xì)節(jié)精益設(shè)計(jì)上，提高技術(shù)人員的素質(zhì)，研發(fā)成熟的技術(shù)投入市場，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

2 起重機(jī)主要部件介紹

2.1 主梁

起重機(jī)主梁按照結(jié)構(gòu)類型可分為箱型梁、桁架梁、型鋼梁。其中箱型梁又可分為正軌梁和偏軌梁等。桁架梁又分為角鋼和圓鋼兩種，如果細(xì)分還是可以的。型鋼梁就是工字鋼梁，一般用在葫蘆上。還有結(jié)合了以上類型的復(fù)合梁，比如箱型梁和工字鋼就可以組成一種主梁形式（箱型梁為一個(gè)倒置的屋面，工字鋼焊接在下面），這類門機(jī)在小型貨場或者露天工廠比較常見。

2.2 端梁

端梁部分在起重機(jī)中有著重要的作用，它是承載平移運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵部件。由車輪組合端梁架組成，端梁部分主要有上蓋板，腹板和下蓋板組成；兩段通過連接板和角鋼用高強(qiáng)螺栓連接而成。在端梁的內(nèi)部設(shè)有加強(qiáng)筋，以保證端梁架受載后的穩(wěn)定性。端梁的主要尺寸是依據(jù)主梁的跨度，大車的輪距和小車的軌距來確定的；大車的運(yùn)行采用分別傳動(dòng)的方案。

2.3 橫梁

橫梁對(duì)整個(gè)起重機(jī)的工作效率和安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，橫梁的跨距、形狀、額定起重能力、抗彎剛度、允許的撓度、材料密度、彈性模量、安全因數(shù)等因素都對(duì)起重機(jī)的運(yùn)行有影響。

2.4 小車總成

小車專為重型加工工業(yè)而制造。電機(jī)、齒輪箱和控制單元均在內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造，確保卓越的吊重性能和長使用壽命。凸緣型電機(jī)配有集成的制動(dòng)器，有助于正確校準(zhǔn)機(jī)械裝置。

2.5 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

液壓或橡膠大車行走緩沖器，保護(hù)起重機(jī)和建筑物。

2.6 司機(jī)室

司機(jī)室應(yīng)按人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體應(yīng)堅(jiān)固、美觀、安全、隔熱、防火、防塵、全封閉。司機(jī)室設(shè)置在主梁的下方，隨大車同步移動(dòng)。

3 起重機(jī)虛擬仿真技術(shù)要點(diǎn)

仿真技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)形成的虛擬技術(shù)，它是在計(jì)算機(jī)中生成一種模擬環(huán)境，在這個(gè)空間環(huán)境中，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行自然交互，能夠人為的對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行更改和操作，并為操作者提供視、聽、觸等感官的反饋。起重機(jī)檢驗(yàn)技術(shù)仿真研究就是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，生成三維實(shí)體模型裝備，解決了設(shè)計(jì)者難以客服的抽象思維設(shè)計(jì)，一旦發(fā)現(xiàn)模型有問題，就能夠及時(shí)的對(duì)起重機(jī)的相關(guān)部件或設(shè)備進(jìn)行修改，直觀地對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行重新布局，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，充分利用有限的空間，可以以部件替代全機(jī)，將可預(yù)見的問題解決在設(shè)計(jì)階段。在計(jì)算的虛擬仿真過程中，可以降低研發(fā)成本和生產(chǎn)成本，縮短開發(fā)周期并有效的提高研發(fā)質(zhì)量。結(jié)合虛擬技術(shù)的特征可以總結(jié)出起重機(jī)設(shè)計(jì)的虛擬技術(shù)仿真技術(shù)要點(diǎn)。

（1）構(gòu)想性。設(shè)計(jì)者能夠從綜合集成形成的仿真環(huán)境中定性或者定量的獲得理性認(rèn)識(shí)和感性認(rèn)識(shí)。

（2）真實(shí)性。設(shè)計(jì)者能夠作為仿真環(huán)境中的主角，并感受到模擬環(huán)境的真實(shí)性，以獲得更為直觀、真實(shí)的評(píng)價(jià)。

（3）交互性。仿真環(huán)境是由虛擬顯示軟件、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等形成的，形成的仿真環(huán)境如物理約束、建筑模型、電氣線路、部件碰撞檢測、動(dòng)力學(xué)特征等。

4 起重機(jī)設(shè)計(jì)仿真模型建立

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Prototype Technology）設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等多門學(xué)科，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是CAD建模、電氣、機(jī)械等相關(guān)技術(shù)，其模型的建立主要是研究以下幾個(gè)方面。

（1）通用參數(shù)。在ADAMS環(huán)境下建立模型分析起重機(jī)的部件動(dòng)力學(xué)特征，除了研究其幾何形狀外，還包括材料的質(zhì)量、密度、泊松比、初始位置、初始速度和運(yùn)動(dòng)方向等。同時(shí)再添加各部件之間的約束關(guān)系。限制某些部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以形成一個(gè)穩(wěn)定的機(jī)械系統(tǒng)。

（2）各種約束。ADAMS可以處理四種類型的約束：約束運(yùn)動(dòng)、接觸約束、制定約束方向和常見運(yùn)動(dòng)副約束。將起重機(jī)虛擬仿真樣機(jī)零部件約束匯總?cè)缦拢孩俚蹉^和吊環(huán)之間的球形副連接；②吊臂通過滑輪和吊繩連接，吊臂和滑輪之間為球形副連接；③液壓桿與后吊臂和機(jī)身相連，采用鉸連接，使三者之間沒有轉(zhuǎn)角變化和相對(duì)位移；④支承墊板固定在地面上，采用固定副約束，與地面沒有相對(duì)移動(dòng)；⑤機(jī)身和平衡重之間也采用固定副約束，沒有移動(dòng)和相對(duì)位移。

（3）ADAMS力庫中提供了四種類型的力：接觸力、特殊力、連接力和作用力，在輸入力的信息時(shí)，需要說明力的類型和力的大小、方向、力矩、作用點(diǎn)等。

（4）風(fēng)力作用。露天工作的起重機(jī)必須考慮其受到的外界因素，尤其是在風(fēng)力較強(qiáng)的地方實(shí)施吊裝時(shí)，必須考慮風(fēng)載的影響，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬和計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)對(duì)起重機(jī)最不利方向的影響。

（5）施工作業(yè)。在起重機(jī)起吊過程中，一般吊物體都是由靜止變?yōu)閯蚣铀偕仙?，最后為勻速上升，仿真起吊運(yùn)動(dòng)演示中，為了保證仿真求解的穩(wěn)定性，需要在模型中插入相關(guān)函數(shù)，以保證模型中的物體能夠切換不同類型的物理運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)語

聯(lián)合仿真可實(shí)現(xiàn)機(jī)電液各子系統(tǒng)的參數(shù)傳遞，比單個(gè)系統(tǒng)仿真更能反映物理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，本文對(duì)起重機(jī)進(jìn)行仿真模塊的分析，利用專業(yè)軟件對(duì)起重機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，研究可檢驗(yàn)的控制方案，在計(jì)算上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，研究系統(tǒng)的可靠性，保證產(chǎn)品的研發(fā)成功率。起重機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用上，要求設(shè)計(jì)人員在具體的工作中應(yīng)分類掌握起重機(jī)的類型、應(yīng)用特征 ；要注重分析與總結(jié)設(shè)計(jì)時(shí)可能存在的一些問題，在技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)的實(shí)用性。在設(shè)計(jì)可行性控制中，對(duì)多樣化的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行應(yīng)用，以便提升設(shè)計(jì)工作的有效性和科學(xué)性，使起重機(jī)生產(chǎn)與工作的安全隱患在設(shè)計(jì)階段就得到有效降低，確保起重機(jī)運(yùn)行的安全性。

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