履帶起重機(jī)性能表高效制定軟件研究

劉林楠，秦義校，李啟宇

（1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國建筑第二工程局上海分公司，上海 200120）

1 引言

履帶起重機(jī)因其起吊重量大，能夠帶載行走和接地比壓小等優(yōu)點(diǎn)，在核電、風(fēng)電和石油化工設(shè)備吊裝領(lǐng)域中起著不可替代的作用[1]。隨著時(shí)代的發(fā)展，對起重機(jī)的可靠性要求越來越高，對履帶起重機(jī)性能的研究也在不斷向前推進(jìn)。由于履帶起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在對其進(jìn)行受力分析時(shí)往往將臂架、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和履帶系統(tǒng)分開進(jìn)行計(jì)算[2]。臂架作為履帶起重機(jī)的主要承載部件，其強(qiáng)度和抗失穩(wěn)能力與整機(jī)起升性能和可靠性密切相關(guān)。臂架一般有多種組合形式來適應(yīng)各種不同的工況，為了制定履帶起重機(jī)性能表就需要對模型進(jìn)行多次調(diào)整，這就使工作量變得相當(dāng)龐大。從查閱的資料來看，現(xiàn)階段國內(nèi)外對臂架的建模研究，一般是針對幾種典型的工況來進(jìn)行的，這就導(dǎo)致了對臂架的受力情況缺乏一個(gè)全面認(rèn)識(shí)[3]。

針對上述問題，通過對臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入挖掘，利用臂架中的各部分結(jié)構(gòu)具有很高的關(guān)聯(lián)性和重復(fù)性這一特點(diǎn)，開發(fā)出一款履帶起重機(jī)性能表高效制定軟件，能夠簡單、直觀地建立桁架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，并對其進(jìn)行非線性分析，得到各個(gè)不同工況下履帶起重機(jī)的性能表。研究成果可以幫助國內(nèi)履帶起重機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行性能表的研制與驗(yàn)證，協(xié)助企業(yè)提高設(shè)計(jì)效率，使履帶起重機(jī)作業(yè)更加安全。

2 履帶起重機(jī)臂架建模

2.1 履帶起重機(jī)臂架的組成

履帶起重機(jī)的臂架通常包含主臂、副臂、撐桿、拉板和變幅桅桿等結(jié)構(gòu)[4]。主臂由底端臂節(jié)（底節(jié)）、中間連接節(jié)（中間節(jié)）和頂端臂節(jié)（頂節(jié)）三部分組成。底節(jié)和頂節(jié)一般為變截面的四弦桿空間桁架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為等截面桁架結(jié)構(gòu)。它們的截面形狀基本為矩形，四根弦桿分布在截面的四個(gè)角點(diǎn)上，主要用來承受由臂架頭部傳遞來的軸向載荷；腹桿有直腹桿、斜腹桿和空間斜腹桿三種，主要用來連接弦桿和承受剪切力。當(dāng)前主要采用單雙耳結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)臂節(jié)的拼接，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于具有較好的傳遞載荷能力、便于拆裝和轉(zhuǎn)場。在復(fù)雜臂架組合中一般包含變幅桅桿、超起和腰繩。其中變幅桅桿可以有效地提高起重機(jī)工作幅度范圍；超起有利于改善臂架受力情況并減小臂頭下沉幅度；腰繩可以改善副臂受力情況并減小其下沉幅度。

履帶起重機(jī)的臂架有多種形式，本系統(tǒng)中把各種不同的臂架組合形式歸納為三種。第一種為主臂結(jié)構(gòu)，由一節(jié)變徑底節(jié)、若干等截面中間節(jié)、一節(jié)變徑頂節(jié)組成，是最為常見的一種組合形式，可以滿足一般起吊高度需求的吊裝場合。第二種為主臂和超起的組合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，其臂架系統(tǒng)與第一種類似，其中超起結(jié)構(gòu)可以增大主臂拉鎖的預(yù)緊力來有效改善主臂頭部的受力情況，從而增大履帶起重機(jī)的起重量。第三種為主臂、副臂和超起的組合結(jié)構(gòu)，其中還包含腰繩和撐桿等結(jié)構(gòu)。

2.2 履帶起重機(jī)臂架力學(xué)性能分析建模

軟件采用自下而上的構(gòu)建方法對履帶起重機(jī)臂架進(jìn)行建模，先利用ANSYS局部坐標(biāo)系建立各臂節(jié)的模型，再把各臂節(jié)模型拼裝成為一個(gè)完整的臂架系統(tǒng)[5]。各臂節(jié)均由弦桿、腹桿和加強(qiáng)板組成，其中弦桿和腹桿采用Beam188單元進(jìn)行模擬，加強(qiáng)板采用shell181單元進(jìn)行模擬。腰繩和拉索采用link10單元進(jìn)行模擬，變幅桅桿采用Beam188單元進(jìn)行模擬。底節(jié)建立在總體笛卡爾坐標(biāo)系上，并通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)直接轉(zhuǎn)到所需工況的工作角度。剩下的臂節(jié)依此建立在依據(jù)前一段臂節(jié)頂部的節(jié)點(diǎn)定義的局部坐標(biāo)系上，最后經(jīng)過對重合節(jié)點(diǎn)的耦合，整個(gè)臂架系統(tǒng)模型就建立起來了。

2.3 履帶起重機(jī)臂架的試加載

為了使模擬的結(jié)果更加接近實(shí)際狀況，軟件中臂架的受力情況是根據(jù)野外施工時(shí)的實(shí)際情況來制定的，受力主要有：（1）臂架上所承受的因臂架自重產(chǎn)生的重力（考慮貨物起升時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)）；（2）桁架臂頭所承受的貨物重力（考慮貨物起升時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)）；（3）桁架臂頭所承受的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的鋼絲繩拉力，其角度一般與主臂保持恒定，大小根據(jù)臂頭滑輪組的倍率來計(jì)算；（4）桁架臂頭所承受的臂架后方拉索傳遞的拉力；（5）臂架的迎風(fēng)面上所承受的野外作業(yè)場地內(nèi)風(fēng)產(chǎn)生的阻力[6-9]。其中，貨物重力載荷需要以迭代方式逐漸增加，直到找到滿足臂架系統(tǒng)所有桿件的各自強(qiáng)度、剛度與桿件穩(wěn)定性條件的最大載荷，并以這些臨界值來生成性能表。

對臂架系統(tǒng)模型的約束主要是對臂架底節(jié)鉸接處的固定限制和對各個(gè)臂節(jié)鉸接處的約束限制。本軟件通過約束X、Y、Z軸的平動(dòng)自由度和繞X、Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度來模擬鉸接。

3 性能表高效制定軟件的編制

3.1 系統(tǒng)的工作流程

軟件的源程序中寫入了能夠生成APDL命令流的程序，使用時(shí)只要輸入的臂架參數(shù)和工況條件系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成各種不同工況下APDL命令流。然后調(diào)用Ansys讀取生成的APDL命令流，對此工況下的臂架進(jìn)行起吊載荷迭代變化的非線性分析，當(dāng)臂架桿件處于機(jī)械性能要求的臨界值，就生成對應(yīng)工況的性能表的起重量值，并以一定數(shù)據(jù)格式存入性能表庫中，如果載荷過大就需要減小載荷再進(jìn)行受力分析，直到找到該工況下所能承受的最大載荷。最后根據(jù)性能表函數(shù)中儲(chǔ)存的結(jié)果按照設(shè)定好的格式生成性能表。軟件系統(tǒng)的工作流程，如圖1所示。

圖1 軟件工作流程Fig.1 Software Flowchart

3.2 軟件系統(tǒng)窗體的設(shè)計(jì)

軟件的界面由登錄界面、操作主界面和一些輔助界面構(gòu)成，可以通過在登錄界面上輸入正確的用戶名和密碼來打開系統(tǒng)主界面。系統(tǒng)主界面為父界面，余下的輔助界面均為其子界面可以通過系統(tǒng)主界面上的菜單進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)主界面上的菜單由開始、臂架類型、臂節(jié)參數(shù)、工況、結(jié)果顯示和幫助六部分組成。其中開始菜單項(xiàng)包括新建工程、打開工程、保存工程和退出；臂架類型菜單項(xiàng)中可以選擇提到的三種臂架類型；臂節(jié)參數(shù)菜單項(xiàng)包含主臂、副臂、超起和撐桿四個(gè)二級菜單，對二級菜單項(xiàng)進(jìn)行選擇可以打開各自對應(yīng)的子窗口，在子窗口中能夠?qū)Σ煌酃?jié)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；工況菜單項(xiàng)可以打開對臂架工作幅度和仰角等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；顯示結(jié)果菜單項(xiàng)中可以查看生成的APDL命令流和性能表；幫助菜單項(xiàng)可以查詢系統(tǒng)各部分的使用說明，也可以直接打開百度讓用戶進(jìn)行搜索，還可以修改用戶名和密碼。系統(tǒng)中的部分工作界面，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作界面Fig.2 System Working Interface

3.3 系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)模塊的建立

為了提高程序的可讀性和可維護(hù)性，將與特定窗體無關(guān)或者關(guān)聯(lián)性比較小的代碼放入標(biāo)準(zhǔn)模塊中。為了方便統(tǒng)一查詢管理變量，在標(biāo)準(zhǔn)模塊中統(tǒng)一定義了系統(tǒng)中會(huì)用到的各種變量、數(shù)組和數(shù)學(xué)符號代碼。

Publicsum_LengthAsSingle′臂架總長度

Publicarray_cs（4）′坐標(biāo)系編號，坐標(biāo)系原點(diǎn)，x點(diǎn)，y點(diǎn)，z點(diǎn)

…

Publicarray_f（100）AsSingle′幅度數(shù)組

PublicpiAsSingle′π 值

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫類模塊的建立

為了方便數(shù)據(jù)庫的頻繁調(diào)用，減小代碼冗余程度，文中提及的系統(tǒng)將登陸信息、管材信息、材料信息等結(jié)合為共用數(shù)據(jù)類模塊。下面以登陸數(shù)據(jù)庫為例詳細(xì)介紹具體建立與使用步驟。

（a）建立擴(kuò)展名為.cls的類模塊并對其中出現(xiàn)的變量進(jìn)行定義。

PrivateLconnAsADODB.Connection

PrivateLconnectionstringAsString

（b）對類模塊進(jìn)行初始化，然后連接數(shù)據(jù)庫。

PrivateSubClass_Initialize（）

Lconnectionstring="Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0；DataSource="

＆App.Path＆"data.mdb"連接data.mdb數(shù)據(jù)庫

SetLconn=NewADODB.Connection

Lconn.OpenLconnectionstring

EndSub

（c）定義事件，讀取Access中數(shù)據(jù)內(nèi)容。

Public Function GetList（ByVal strcmd As String，Optional pswhere As

String）AsObject

DimrsAsADODB.Recordset

Setrs=NewADODB.Recordset

rs.CursorLocation=adUseClient

ExitFunction

（d）實(shí)例化mclsMidTier為新對象，然后即可調(diào)用對象中的事件GetList從而建立數(shù)據(jù)鏈接。

SetmclsMidTier=NewclsMidTier

Setrs=mclsMidTier.GetList（"select*fromUserInfo"）

′調(diào)用用戶信息

Setrs=mclsMidTier.GetList（"select*fromTubeInfo"）

′調(diào)用管材信息

Set rs=mclsMidTier.GetList（"select*from MaterialInfo"）'調(diào)用材料

信息

（e）在調(diào)用用戶信息數(shù)據(jù)庫時(shí)，讀取用戶輸入的用戶名，與得到對應(yīng)的密碼進(jìn)行比對是否一致，一致則進(jìn)入軟件操作，不一致則提示密碼無效，重新登陸。

Ifrs（"UserPassword"）=txtPassword.TextThen

Frmmain.Show

UnloadMe

ElseIfrs（"UserPassword"）<>txtPassword.TextThen

MsgBox"密碼錯(cuò)誤"，vbExclamation+vbOKOnly

EndIf

這樣就建立了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫類模塊。

4 實(shí)例驗(yàn)證

以履帶起重機(jī)LR1300的主臂結(jié)構(gòu)為例，建立由底節(jié)、一節(jié)3m中間節(jié)、一節(jié)6m中間節(jié)、五節(jié)12m中間節(jié)和臂頭組成的臂架模型，其主臂長度為86m，工作幅度范圍為（6～80）m。限于篇幅的原因，本中僅列出幅度為44m工況的分析結(jié)果。通過軟件系統(tǒng)所生成的某一工況的Ansys云圖，如圖3所示。

圖3 Ansys非線性分析結(jié)果Fig.3 Results of Ansys Nonlinear Analysis

修改主臂長度，經(jīng)過多次循環(huán)后得到的履帶起重機(jī)性能表，如表1所示。

表1 生成的部分性能表Tab.1 Part of Generated Performance Table

把軟件生成的性能表和LR1300履帶起重機(jī)的性能表進(jìn)行比較可以得到性能比較曲線圖，如圖4所示。

圖4 性能比較曲線Fig.4 Comparison of Performance Curves

由表1數(shù)據(jù)和性能比較曲線可以看出，系統(tǒng)生成的臂架承載力性能比樣本機(jī)型出廠性能表中的承載力性能高，提高率隨工作幅度的增加而增大，所以，在工作幅度較小的工況中，履帶起重機(jī)的起重性能主要由臂架承載力決定，在幅度較大的工況下，臂架承載力的重要性減小，基于整機(jī)傾覆穩(wěn)定性的作用對于履帶起重機(jī)起重性能的影響增大，即在較大幅度、較長臂架的工況下，臂架承載力與樣本機(jī)型參數(shù)的出入有待進(jìn)一步研究，例如探討非線性動(dòng)力學(xué)問題、風(fēng)載荷的施加應(yīng)涉及到流體力學(xué)及混沌理論等等，可以在后續(xù)的研究中通過改善履帶起重機(jī)下車結(jié)構(gòu)及重心的合理安排來優(yōu)化其起重性能。

5 結(jié)束語

基于可視化編程語言，調(diào)用ANSYS進(jìn)行多工況結(jié)構(gòu)性能分析，在保證履帶起重機(jī)臂架承載能力的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套履帶起重機(jī)性能表高效制定軟件。研制的軟件能夠快速、直觀地建立桁架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，并對其進(jìn)行非線性分析，得到各個(gè)不同工況下履帶起重機(jī)的性能表數(shù)據(jù)。本研究成果可以幫助履帶起重機(jī)制造企業(yè)產(chǎn)品高效開發(fā)設(shè)計(jì)，并使履帶起重機(jī)作業(yè)更加安全。