基于ADAMS的門式起重機起升機構動力學分析

林海坤

（福建省特種設備檢驗研究院泉州分院，福建 泉州 362200）

1 引言

起重機的起升機構在起吊、下降、大小車制動時所產生的附加動載荷對鋼絲繩、起升機構有一定的影響。文中通過Pro/E軟件實現MG3-12A3D樣機的快速建模并導入ADAMS軟件，其樣機模型如圖1所示。運用ADAMS軟件對其進行不同工況下的動力學仿真分析為整機動力學分析提供加載力的依據[1]。

圖1 ADAMS環(huán)境下的樣機模型

2 起重機的動力學特征及ADAMS仿真約束

2.1 起重機的動力學特征

起重機的動力學問題主要是研究起重機在工作中工況改變時整機的動力響應。由于起重機的各個機構的質量都是集中的，因此，為了對其動力學問題進一步的研究，需要把各個機構簡化成單質量、二質量或者多質量系統(tǒng)，根據這些不同的質量系統(tǒng)利用動量守恒原理對其質量推算建立起重機的動力學模型進行動力學研究。

利用動量守恒原理，對物理樣機系統(tǒng)的質量推算，在多個不同質量（機構）組成的系統(tǒng)中：

式中：

聯立式（1）（2）得推算系統(tǒng)的質量為：

2.2 起重機的ADAMS仿真約束

MG3-12A3D樣機在ADAMS的約束如下：

（1）主梁與支腿、支腿與下橫梁采用固定副Fixed連接；

（2）大、小車輪采用圓柱副Cylindrical連接；

（3）大、小車車輪與導軌之間采用接觸力Contact約束；

（4）起升機構的鋼絲繩采用Bushing約束，模擬鋼絲繩在運行過程中的擺動。

在ADAMS環(huán)境進行以下三種動力學仿真；

（1）大車的啟動、勻速、制動；

（2）小車的啟動、勻速、制動；

（3）起升機構的起升、制動、勻速。

3 起升機構在起吊工況時的動力學模型

起重機的起升機構主要由驅動裝置（電機）、傳動裝置（減速器）、卷筒、滑輪組（鋼絲繩）、取物裝置和制動裝置組成[2]。

起升機構在啟動或者制動時的動力學模型如圖2所示。

圖2 起升機構在啟動、制動時的動力學模型

（1）鋼絲繩在起升機構起升啟動和下降制動時的受力情況分析。

根據運動公式推算得鋼絲繩在起升機構起升啟動和下降制動時所受的彈力：

根據運動公式推算鋼絲繩在起升機構起升制動和下降啟動時所受的彈力：

根據所選的電動機型號推算出起升機構在上升、下降時的相關參數分別如表1所示。

設起升機構從上升啟動到下降制動的整個過程為10s，則起升機構在上升時從0到額定速度的時間為0s～1.8s，勻速時間段為1.8s～7.8s，下降啟動到額定速度的時間段為7.8s～10s。

將以上數據進行數據推算得式（6）：

在ADAMS中用run-time函數仿真起升機構在上升啟動或者下降啟動時動載荷的加載[3]。其仿真結果如圖3所示。

圖3 起升動載荷的函數曲線

從圖3仿真結果可以看出起升機構在額載情況下，起升機構在上升啟動階段（0s～1.8s）所承載的動載荷平均值大于額定載荷，最大載荷為30212.5N；在下降啟動加速階段（7.8s～10s）所承載的動載荷的平均值小于額定載荷，最小的載荷為23327.4，但是在下降啟動時起升機構受的動載荷的波動最大。

4 起升機構在小車運行時的動力學模型

起升機構在小車啟動或制動時，所懸吊的重物會做類似鐘擺運動[4]，其動力學模型如圖4所示。

圖4 小車運行機構在啟動、制動時的動力學模型

根據運動公式推算重物在小車運行機構在啟動或者制動時，會引起吊重物沿著小車運動方向做偏擺運動，產生偏擺運動的動載荷為：

根據所選的電動機型號推算得到該起升機構的小車在啟動、制動時的相關參數如表2所示。

表2 小車在啟動時的相關參數

設起升機構的小車從啟動到制動整個運行過程為10s，則小車從0到額定速度的時間為0s～1.9s，制動從額定速度到0的時間為為7.2s～10s。

將以上數據推算得式（8）：

在ADAMS中用run-time函數仿真起升機構起吊的重物在小車在啟動或制動時產生的偏擺載荷[5]。其仿真結果如圖5所示。

圖5 起升機構因小車啟動、制動而產生的偏擺載荷

從圖5仿真結果可以看出在小車啟動階段（0s～1.9s），起升機構承載的偏擺動載荷最大，最大載荷為1002N；在制動階段（7.2s～10s）起升機構承載的偏擺動載荷較啟動時小，最小偏載荷為678N。

5 起升機構在大車運行時的動力學模型

起升機構在在大車啟動或制動時所懸吊的重物會做類似鐘擺的運動[6]，其動力學模型如圖6所示。

圖6 大車運行機構啟動、制動時起升機構的動力學模型

根據動力學分析推算大車運行機構在啟動時大車運行機構彈性元件以及鋼絲繩的偏擺力為：

大車運行機構制動時彈性元件以及鋼絲繩的偏擺力為：

根據所選的電動機型號推算得到該大車在啟動、制動時的相關參數分別如表3所示。

表3 大車機構在啟動時的相關參數

設大車機構從啟動到制動整個運行過程為10s，則大車從0到額定速度的時間為0s～2.3s，制動從額定速度到0的時間為為5.4s～10s。

將以上數據推算得式（11）：

在ADAMS中用run-time函數仿真起升機構起吊的重物在大車在啟動或制動時產生的偏擺載荷。其仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7 懸吊重物因大車的啟動、制動而產生的偏擺載荷圖

圖8 三個機構聯合啟動、制動時鋼絲繩的拉力-時間曲線

從圖7、圖8仿真結果可以看出起升機構懸大車啟動階段（0s～2.3s）承載的偏擺動載荷最大，最大載荷為10000N；在大車制動階段（6.4s～10s）起升機構承載的偏擺動載荷較啟動時小，最大載荷為5000N。

6 起升機構、小車機構、大車機構等三大機構聯合運行時鋼絲繩的拉力——時間曲線

通過分析起升機構在以上三種獨立工況下的動力學模型的基礎上，對小車機構、大車機構等三大機構聯合運行時的起升機構進行動力學仿真分析得出其鋼絲繩的拉力-時間曲線如圖8，通過仿真分析可以看出在三個機構處于啟動階段（0s～2s），鋼絲繩承載的平均動載荷比額載大，最大動載荷為38000N；在制動狀態(tài)階段（6.5s～10s），鋼絲繩承載的平均動載荷比吊的額載小，最小動載荷為12000N。

由結果分析可以看出，起升機構的仿真是符合實際的。對于GB/T3811—2008《起重機設計規(guī)范》中規(guī)定起升動載荷的不能超2.0。由仿真結果看，這一規(guī)定比較合理，且偏向安全。

6 結語

起重機的起升機構在起吊、下降、大小車制動時所產生的附加動載荷對鋼絲繩、起升機構有較大的影響。文中建立了起升機構的動力學模型，運用ADAMS分析了起升機構在起吊、下降、大小車制動時的附加動載荷分析，并進行了起升機構、小車機構和大車機構聯合制動情況下鋼絲繩的拉力分析，從分析結果可以看出起升機構在各種工況下基本符合動力學理論設計計算，為整機動力學分析提供加載力的依據具有現實意義。