基于MSC-Adams的橋式卸船機抓斗擺動自動控制研究

虞上長,楊明花,楊勇,李楠

基于MSC-Adams的橋式卸船機抓斗擺動自動控制研究

虞上長1,楊明花1,楊勇1,李楠2*

1. 浙江浙能溫州發(fā)電有限公司, 浙江 溫州 325602 2. 杭州集益科技有限公司, 浙江 杭州 311215

針對傳統(tǒng)橋式卸船機抓斗擺動防撞控制的不足之處，本文構(gòu)建了一個抓斗小車虛擬動力學系統(tǒng)，并基于MSC-Adams構(gòu)建了多股鋼絲繩的離散剛體，Bushing策略構(gòu)建出鋼絲繩鏈接模型。針對無搖擺防撞控制下的橋式卸船機抓斗進行仿真，具體探討了空氣阻力和抓卸料等因素對于橋式卸船機抓斗搖擺防撞的影響，仿真結(jié)果表明多種因素影響到抓斗搖擺防撞控制。最終，分析抓斗擺動教育和小車對抓斗相對速度的關(guān)系，得出橋式卸船機抓斗擺動曲線，制定出抓斗搖擺防撞控制策略。

橋式卸船機; 抓斗; 擺動控制

橋式卸船機在完成卸料任務的過程中，通常需要進行小車加速、抓斗上升引發(fā)的風力帶來的空氣阻力，從而導致卸船機的卸料抓斗出現(xiàn)搖擺的現(xiàn)象[1]。當抓斗出現(xiàn)嚴重搖擺的時候，有較大的風險出現(xiàn)撞擊等危險，并且也會嚴重影響卸船機卸料的作業(yè)效率。在高空作業(yè)過程中，卸船機的結(jié)構(gòu)增加了載荷，容易引起結(jié)構(gòu)失效，造成較大的安全隱患[2]。因此，在橋式卸船機的卸料任務中，構(gòu)建抓斗的搖擺防撞控制策略，能夠提升卸船機的自動化和效率[3]。在構(gòu)建橋式卸船機抓斗和小車系統(tǒng)的動力學模型的研究中，國內(nèi)外的主流觀點均采用解析模型構(gòu)建出動力學模型[4-6]。解析模型的缺陷是在動力學模型中無法考慮率鋼絲繩的力學特性和裝配結(jié)構(gòu)帶來的影響因素，無法考慮實際作業(yè)中由于起升聯(lián)動效應導致對鋼絲繩的變化，此外風力干擾的不確定性也不能被考慮在內(nèi)[7,8]。因此，傳統(tǒng)的解析模型不能夠全面解析卸船機抓斗和小車系統(tǒng)中的動力學特性。

在本文中，通過使用MSC-Adams機械動力學建模軟件，構(gòu)建卸船機抓斗和小車系統(tǒng)的數(shù)學仿真模型，該模型可以通過離散剛體柔性連接方法完成對鋼絲繩的建模，以及其他數(shù)學模型完成對空氣阻力和抓卸料的有效建模。通過該數(shù)學仿真模型，即可對卸船機抓斗的搖擺特性完成仿真，通過仿真結(jié)果可以對抓斗防撞控制策略進行分析和設計。

1 橋式卸船機抓斗和小車虛擬動力學系統(tǒng)

為了構(gòu)建橋式卸船機抓斗和小車的虛擬動力學系統(tǒng)，文中以散貨碼頭上的2100 t/h的橋式卸船機作為原型[9]，構(gòu)建出虛擬動力學系統(tǒng)。

1.1 抓斗小車動力學模型

在系統(tǒng)動力學仿真模型中，小車部件是整個橋式抓斗機的驅(qū)動部分，因此小車中包含了滑塊、滾筒和輔助滾輪三個組成部分。下圖1(a)給出了小車部件的MSC-Adams仿真模型。

圖 1 動力學系統(tǒng)的MSC-Adams仿真模型

在小車部件的仿真模型中，滑塊是驅(qū)動小車進行水平運動的驅(qū)動力，而滾筒則與簡化后的鋼絲繩相連，小車驅(qū)動滾筒運動將會導致鋼絲繩的驅(qū)動，該驅(qū)動力則可以用于抓斗的升降運動。輔助滾輪在側(cè)邊與鋼絲繩相連，保障鋼絲繩在被滾筒驅(qū)動過程中的魯棒性，三個模塊之間采用轉(zhuǎn)動鉸約束實現(xiàn)連接[10]。

1.2 多股鋼絲繩彈性模型

鋼絲繩在動力學系統(tǒng)中的主要作用是實現(xiàn)小車和抓斗之間的柔性連接，通過與小車的滾筒連接，讓小車的水平運動引發(fā)鋼絲繩的卷繞運動，卷繞運動驅(qū)動抓斗的升降，完成抓斗的卸料作業(yè)[11]。圖1(b)給出了基于離散圓柱微段及采用Bushing連接方式的動力學模型。

一般來說，抓斗到達最大高度時鋼絲繩的長度嘴短，此時的動力學模型應該保證離散個數(shù)足夠大，才能夠保證抓斗搖擺仿真的準確度。實際上，根據(jù)離散個數(shù)，可以通過下式確定鋼絲繩的離散總數(shù)：=×((+)/) (1)

根據(jù)平衡計算量和仿真精度，文中可以選擇微段長度220 mm，設置=152。如果不進行模型的簡化，相應鋼絲繩的離散總數(shù)可以形成103的量級，通過相關(guān)約束將會產(chǎn)生更大的運算量，所以在本文中對動力學模型進行簡化，并且不再考慮相關(guān)約束，從而減少運算量。

在MSC-Adams的仿真建模中，文中采用Bushing方式在兩個部件之間形成相互的作用力。在實際的動力改寫模型中，文中定義六個力矩分量{F,F,F,T,T,T}，通過這些力矩分量來形成兩個構(gòu)建之間的柔性連接。下圖2給出了Bushing方式形成部件之間的柔性連接示意圖。

圖 2 Bushing方式形成部件之間的柔性連接示意圖

在上圖的Bushing模型中，六個剛度系數(shù)和六個阻尼系數(shù)將會影響到鋼絲繩模型的精確程度，因此需要通過精準計算來確定。本文通過文獻[9]中給出的方法來確定鋼絲繩模型中的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。實際的數(shù)值確定為，將四根鋼絲繩進行等效分析，六個阻尼系數(shù)均設置為20，然后在此基礎(chǔ)上通過對鋼絲繩的裝配和本體結(jié)構(gòu)計算力學性能，計算出修正系數(shù)對模型進行彈性和剪切模量進行修正。在六個阻尼系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過下式計算出六個剛性系數(shù)：

其中，11表示為拉伸系數(shù)；22，33表示為剪切系數(shù)；44表示為扭轉(zhuǎn)系數(shù)；55，66表示為彎曲系數(shù)；1，2，3，4分別為結(jié)構(gòu)修正系數(shù)；和分別為彈性和剪切模量，，，分別表示鋼絲繩的截面積、微段長度和慣性矩。

1.3 抓斗中的抓卸料與空氣阻力模型

其中，F表示的是空氣阻力；表示的是空氣阻力系數(shù)，取固定值為0.4。表示的是抓斗迎風的面積，取固定值為12 m2；表示的是空氣密度，取固定值為1.2258 Ns2/m4；表示的是抓斗的運動速度。

2 動力系統(tǒng)仿真與抓斗搖擺防撞控制分析

2.1 仿真實驗與結(jié)果

為了驗證本文構(gòu)建的動力學系統(tǒng)仿真模型的可行性和有效性，分別針對該動力學系統(tǒng)進行無搖擺控制和有搖擺防撞控制分析。下圖3給出了模型針對無搖擺控制、起升聯(lián)動工況仿真后的運動軌跡。針對實際的公開，在滾筒和小車之間通過轉(zhuǎn)動鉸約束來構(gòu)建系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動運動，并在小車和大車之間的水平方向上施加水平移動運動，下圖4(a)給出了滾筒和小車之間轉(zhuǎn)動鉸約束形成的模型驅(qū)動速度曲線。

圖 3 無搖擺控制、起升聯(lián)動工況仿真模型的運動軌跡

圖 4 仿真實驗結(jié)果曲線

針對仿真結(jié)果進行進一步的分析，圖4(b)給出了抓斗搖擺角度與時間的關(guān)系圖。從上圖的結(jié)果中可以看出，針對橋式卸船機抓斗的抓卸料和空氣阻尼對抓斗擺角幅值之間存在如下的關(guān)系：當卸船機抓斗卸料完成后，質(zhì)量發(fā)生減小，導致抓斗的擺動幅度增大，僅僅只通過鋼絲繩和空氣的力產(chǎn)生的阻尼并不足以快速減小抓斗擺角幅值，也就是僅僅依靠鋼絲繩并不能直接完成對抓斗防撞的控制策略。因此，上述的結(jié)果表明了本文構(gòu)建的動力學仿真模型符合實際的情況，有較高的正確性，針對抓斗擺動的防撞策略和控制是有必要的。

2.2 抓斗搖擺防撞控制分析

實際上，要研究橋式卸船機抓斗搖擺的防撞控制策略，必須研究小車、抓斗之間的關(guān)系。也就是說，需要滿足小車勻速運動時，需要保證抓斗無擺動。上述的條件可以轉(zhuǎn)化為，當轎車達到最大速度的時候，抓斗卸料后擺動的最大角度與小車對抓斗相對速度同時為0，所以需要分析抓斗擺動與小車對抓斗相對速度之間的關(guān)系。根據(jù)圖5中給出的速度關(guān)系可以看出：

（1）小車與抓斗之間相對速度為0的時刻是抓斗呈現(xiàn)出極值擺角的時刻；

（2）當抓斗的擺角為0的相應時刻，是小車對抓斗之間的相對速度到達極值的時刻。

因此，針對抓斗卸料后的搖擺防撞策略分析，需要保證小車達到最終速度時，抓斗此時的擺角為0并且此時恰好為極值點，也就是在該時刻，擺角的曲線和時間軸呈現(xiàn)相切的關(guān)系。

橋式卸船機的抓斗擺動不利于卸船機結(jié)構(gòu)的實際壽命，并且容易造成生產(chǎn)作業(yè)出現(xiàn)安全隱患的問題，因此橋式卸船機的抓斗擺動防撞策略能夠最大程度較少整個卸料過程中抓斗擺角的幅值總量。因為抓斗的擺動程度是實現(xiàn)抓斗在卸料過程中加速度的必要條件，因此需要抓斗擺角的幅度總值量呈現(xiàn)最小，也就是在小車進行啟動和制動過程中，抓斗的擺角不能穿越零點。針對上述分析，文中通過下圖5給出了理想狀態(tài)下橋式卸船機抓斗擺動防撞策略。在圖中，中間的點線表示的部分為抓斗擺角不確定的時間段。

圖 5 理想狀態(tài)下橋式卸船機抓斗擺動防撞策略

3 結(jié)語

在本文中，基于MSC-Adams軟件構(gòu)建了一個橋式卸船機的抓斗和小車動力學系統(tǒng)仿真模型，通過仿真實驗驗證本文提出模型的可行性和有效性，仿真結(jié)果對于抓斗搖擺防撞控制的分析表明，理想狀態(tài)下的抓斗搖擺曲線是一條位于小車開始和結(jié)束加速時間段內(nèi)與兩端時間相切，除兩段外再無與其他時間節(jié)點有交點的曲線。今后的工作集中在考慮更多的環(huán)境影響因素來構(gòu)建更理想的橋式卸船機抓斗系統(tǒng)動力學模型，通過更有意義的系統(tǒng)動力學模型，構(gòu)建出更加魯棒、更高性能的抓斗擺動防撞策略。

[1] 方關(guān)有,李鐵.橋式抓斗卸船機機房底架加強筋布局優(yōu)化分析[J].起重運輸機械,2018(7):150-152

[2] 袁彥青,雷步忠,高翔.橋式抓斗卸船機在內(nèi)河流域的滾裝運輸方案[J].起重運輸機械,2017(10):159-161

[3] 張逸國,李林.交流變頻技術(shù)在橋式自行小車式卸船機改造中的應用[J].起重運輸機械,2007(8):70-74

[4] 葉永偉,陸俊杰.基于ANSYS的橋式抓斗卸船機結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].機電工程,2017,34(9):986-992

[5] 殷江平.橋式卸船機檢測應力的正確理解和應用[J].起重運輸機械,2015(2):97-99,100

[6] 劉耀杰.橋式抓斗卸船機差動減速器工作原理[J].起重運輸機械,2017(9):69-71

[7] 劉秀華,謝劍剛.橋式抓斗卸船機滑輪座底部裂紋的處理及分析[J].起重運輸機械,2011(5):88-90

[8] 李憲曄,程從山,楊文武,等.650 t/h橋式卸船機卷筒裝置故障分析及其改進措施[J].新技術(shù)新工藝,2010(11):28-29

[9] 何成忠,劉漢東.橋式抓斗卸船機應力測試技術(shù)應用[J].起重運輸機械,2012(8):100-103

[10] 馬文舒,林金棟,張建國.橋式抓斗卸船機的發(fā)展與現(xiàn)狀分析[J].起重運輸機械,2014(11):1-4

[11] 咼中樑,謝超,王新華,等.橋式抓斗卸船機的振動模態(tài)分析[J].重型機械,2014(5):47-50

[12] 趙紅朋.橋式抓斗卸船機鋼絲繩旋轉(zhuǎn)機理及預防措施[J].港工技術(shù),2011,48(3):16-19

Research on Autocontrol for the Grab Bucket Swing of Bridge Type Ship Unloader Based on MSC-Adams

YU Shang-chang1, YANG Ming-hua1, YANG Yong1, LI Nan2*

1.325600,2.311215,

Aims to the shortages of conventional ridge type un-loader grab swing self-controlling and anti-collision strategies, this paper constructed a novel grab-car virtual dynamic system. After construction of dynamic systems, we constructed discrete rigid bodies for multiple steel wire ropes based on MSC-Adams technology. Then, the Bushing strategy was constructed based on the steel wire rope models, and such strategy was useful for improving the elastic modules of steel wire ropes. Simulation experimental results showed that there existed multiple factors that influenced the anti-collision strategy of grab swing. Based on the multiple influenced factors, we analyzed the relationships between the magnitude of grab swing and the speed of small car. Analysis results demonstrated the swing curves of bridge type unloader grab, and we also designed the anti-collision strategy for the grab.

Bridge typr unloader; grab bucket; swing control

O231

A

1000-2324(2018)06-1040-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.027

2018-01-23

2018-03-11

虞上長(1966-),男,碩士,高級工程師,研究方向:火力發(fā)電廠設備自動控制及Adams動力學分析. E-mail:2810621483@qq.com

Author for correspondence. E-mail:eslinan@gmail.com