基于數(shù)據(jù)挖掘的橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬研究

田秀琴

華電曹妃甸重工裝備有限公司，河北 唐山 063200

0 引言

橋式卸船機抓斗在卸料的過程中，受到小車加速、減速、抓斗提升以及風力擾動的影響，都會使抓斗出現(xiàn)左右搖擺的情況。當抓斗的搖擺程度劇烈時，則會嚴重影響到整個橋式卸船機的作業(yè)效率。同時，在橋式卸船機抓斗搖擺的過程中，受到力學參數(shù)的影響，卸船機的結構載荷會逐漸增加，進而使得加速結構失效，對于生產(chǎn)作業(yè)的安全性帶來一定負面影響[1]。因此，當前針對橋式卸船機抓斗的控制已經(jīng)成為了提升卸船機自動化水平和安全水平的主要研究方向[2]。通過建立橋式卸船機抓斗的動力學模型能夠?qū)崿F(xiàn)對動力學特性進行系統(tǒng)化的分析，結合分析結果為卸船機優(yōu)化策略提供重要依據(jù)。當前現(xiàn)有對橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬方法都存在沒有考慮到與抓斗相連接的鋼絲繩及其他結構本身力學特性，沒有考慮到裝配結構對抓斗搖擺產(chǎn)生的動力學響應影響，無法實現(xiàn)對實際作業(yè)中抓斗起升聯(lián)動的模擬等問題，導致最終獲取的數(shù)值模擬結果存在一定的缺陷[3]。因此，針對這一問題，為實現(xiàn)對橋式卸船機抓斗搖擺過程中動力學特性更全面的分析，本文在引入數(shù)據(jù)挖掘技術的基礎上，提出一種全新的數(shù)值模擬方法，以期為地橋式卸船機抓斗搖擺力學分析提供重要的數(shù)據(jù)基礎。

1 構建橋式卸船機抓斗搖擺過程力學模型

根據(jù)卸船機抓斗作業(yè)的實際情況，在抓斗搖擺的三個分量當中，只有作用在空間Z軸和空間X軸平面上的分量可以實現(xiàn)對其的有效控制，因此主要針對抓斗驅(qū)動機構在空間Z軸和空間X軸平面上構建二維力學模型[4]。圖1為橋式卸船機抓斗搖擺過程受力機運動狀態(tài)示意圖。

圖1 橋式卸船機抓斗搖擺過程受力機運動狀態(tài)示意圖

當抓斗小車在空間Z軸和空間X軸平面運動時，此時抓斗相對于小車而言，在豎直平面上進行擺動運動。在確定這一過程的力學模型時，進行如下假設。

在不考慮抓斗在水平方向和豎直方向進行復合運動的情況下，將小車與抓斗之間連接的鋼絲繩長度視為固定不變；將抓斗簡化為一個運動的質(zhì)點，并且只考慮這一質(zhì)點在空間Z軸和空間X軸平面上的擺動；在建模時，不考慮風力以及空氣阻尼以及整個橋式卸船機的彈性變形問題[5]。在此基礎上，建立與抓斗連接小車的運動平衡方程進行：

公式中，F(xiàn)表示在抓斗搖擺過程中小車受到來自水平方向上的牽引力；M表示橋式卸船機小車的質(zhì)量；f表示橫梁在水平方向上受到抓斗搖擺運動而產(chǎn)生的水平摩擦力；T表示鋼絲繩的拉力；q表示擺動角；表示水平方向上小車的運行速度。同時還存在下述運動平衡關系：

公式中，N表示橫梁的支撐力；Mg表示抓斗自身重力。將上述公式（1）和公式（2）結合，并將其作為橋式卸船機抓斗搖擺過程力學模型。

2 基于數(shù)據(jù)挖掘的抓斗擺角響應求解

在橋式卸船機作業(yè)時，與抓斗相連接的小車會按照有規(guī)律的變化進行水平方向上的運動，而對應的小車加速度可用下述分段函數(shù)表示：

公式中，a表示小車的加速度；s表示設置的加速度數(shù)值；t表示加速度計算停止時間；t0表示加速度計算開始時間。在上述基礎上，基于數(shù)據(jù)挖掘技術，通過二階常系數(shù)非齊次微分方程對抓斗擺角響應進行解析求解。在小車加速運行過程中，抓斗的擺角滿足加速度段抓斗擺角響應q（t）小于或等于0的條件，此時說明若小車保持一個固定的加速度持續(xù)進行均加速運動，則抓斗能夠?qū)⑾鄬τ谛≤嚨膯螖[動運動。當抓斗擺動的運動幅值與小車的加速度成正比，則說明抓斗的擺動運動周期與抓斗連接鋼絲繩長度的平均根成正比例關系[6]。在求解的過程中，假設小車的運行時間為20s，加速度為1m/s2，鋼絲繩長度為6.5m，則根據(jù)下述公式，可計算得出小車運行中加速度段的抓斗擺角響應：

公式中，K表示損失系數(shù)。根據(jù)上述公式計算，得到小車運行過程中的加速度段抓斗擺角響應。當小車按照固定的加速度運行時，且當加速度逐漸提高并進入下一個勻速運行時，此時可進一步求解出下一個時刻的擺角響應數(shù)值[7]。通過對每個時刻擺角響應的分析得出抓斗搖擺產(chǎn)生的作用機理為：當小車作均勻加速時，抓斗與小車作單邊擺動；當小車在停車和進入勻速橫向移動的時候，既不能滿足的條件，那么就不可能同時消除抓斗和小車的位移差異和速度差異，并且在隨后的小車勻速行駛段抓斗將保持相對于小車的擺動。

3 設置數(shù)值模擬約束條件與作業(yè)環(huán)境

根據(jù)上述論述在完成對抓斗擺角響應的解析與求解，并確定抓斗搖擺產(chǎn)生的機理后，對數(shù)值模擬約束條件以及作業(yè)環(huán)境進行設置。在橋式卸船機抓斗搖擺過程中，需要按照下述兩方面內(nèi)容設置數(shù)值模擬的約束條件，以此確保作業(yè)時動載荷不會超過設置的抓斗承受能力：一方面，對抓斗的負載進行平衡約束[8]。在抓斗閉合提升時，通過對支撐鋼索和開啟閉合鋼索的載荷分布，保證抓斗在閉合狀態(tài)下不會受到太大的壓力。另一方面，對抓斗的速度進行同步約束。在抓斗開斗上、下移動時，抓斗的開口量是恒定的；當小車前進或后退時，抓斗的高度保持不變。同時，在進行數(shù)值模擬前，還需要進行對上述構建的橋式卸船機抓斗搖擺過程力學模型進行簡化。不考慮抓斗提升連桿和鋼索對抓斗開閉的控制，僅考慮四條鋼索對抓斗和小車的連接作用[9]。將驅(qū)動裝置放置到小車上，并與小車上的一個皮帶輪結合，以便在以后的研究過程中減小鋼絲繩的整體長度。物理模型中的一些細節(jié)幾何特性對系統(tǒng)的動態(tài)響應沒有任何影響，所以在建模時沒有將其納入考慮范圍。在完成對橋式卸船機抓斗搖擺過程力學模型的簡化后，由于鋼絲繩兩端的約束條件會對抓斗搖擺運動產(chǎn)生較大的影響，因此需要結合現(xiàn)場裝配情況對模型進行反復調(diào)試，并確定抓斗與相連接的小車、鋼絲繩支架的關系，進而得到下述數(shù)值模擬的約束條件。

（1）針對起升鋼絲繩兩端相連接的第一節(jié)圓柱結構，在其與滾筒和抓斗之間均采用球鉸約束；

（2）對于開閉鋼絲繩兩端相連接的第一節(jié)圓柱結構，在其與滾筒和抓斗之間均采用軸套力連接約束。對于其他各個部件之間的約束條件設置如下：為了模擬卷筒對鋼絲繩的纏繞作用，將每個鋼絲繩靠近小車的若干個圓筒與對應的滾筒之間的接觸撞擊作用力。由于橋式卸船機作業(yè)環(huán)境位于碼頭泊位，并且抓斗在高空中作業(yè)時，其小車的運行速度較快，因此在數(shù)值模擬時將抓斗會受到的空氣阻力忽略不計。同時，由于一個移動的物體受到的空氣阻力是其速度的平方，根據(jù)這一特點，確定空氣阻力的計算公式為：

公式中，F(xiàn)w表示空氣阻力；C表示空氣阻力系數(shù)；A表示抓斗迎風面的面積；r表示空氣密度；v表示抓斗在運行過程中的速度。抓斗抓取的材料質(zhì)量通常比抓斗自身質(zhì)量要大，而抓斗卸載后載荷質(zhì)量的改變會對整個系統(tǒng)的動態(tài)響應產(chǎn)生一定的影響。為了達到這一目的，利用動態(tài)的力來模擬抓取和卸料。在后續(xù)進行數(shù)值過程中，設置抓斗搖擺的作業(yè)環(huán)境在.cmd文件當中的代碼為：“function=STEP（time，0，0,7.26,3.0E+2）+STEP（time，24.256,0,32.425，-3.0E+5）”。

4 橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬

按照抓斗的運動規(guī)律，通過對抓斗的升降高度進行設置，對橋式卸船機抓斗搖擺進行數(shù)值模擬。為了保證保對抓斗搖擺的模擬準確度，要求在這一過程中，模型當中需要有足夠的鋼絲繩段數(shù)，但此時會造成數(shù)值模擬過程中的計算量過大。為了能夠解決這一問題，在進行數(shù)值模擬的過程中，采用一根鋼絲繩對四根鋼絲繩進行等效建模，以此實現(xiàn)通過一根鋼絲繩對多根鋼絲繩的模擬[10]。在模擬過程中，可進一步得出下述等效依據(jù)：抓斗的擺動周期與安裝機構有關，當纜索長度相同時，四個鋼絲繩連接的抓斗擺動周期比單一纜索連接的抓斗擺動周期要大；抓斗搖擺響應對鋼絲繩兩端約束條件的變化比較敏感；抓斗的擺動反應對于小幅度的振動和自身的剛度和阻尼的變化不太敏感，但對抓斗的擺動反應有明顯的影響。根據(jù)上述三點，再確定鋼絲繩與小車之間的連接關系。通過圖2所示的過程，實現(xiàn)對抓斗搖擺角度、抓斗搖擺角度、小車運行速度的數(shù)值模擬。

圖2 橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬

圖2中I表示抓斗搖擺角度；II表示抓斗搖擺角速度；III表示小車運行時的速度。圖2中預測器的功能是基于該反饋單元的當前狀態(tài)變量和輸入的參數(shù)，對小車在目前的加速工況下達到最大轉速瞬間的狀態(tài)變量進行預測，并向控制器輸出該預測值。數(shù)值模擬過程中控制器作用是基于反饋單元的狀態(tài)變量當前值和預測器的狀態(tài)變量預測值，并在滿足用戶的輸入?yún)?shù)的情況下，利用特定的算法對小車的加速度進行調(diào)整，以此根據(jù)上述論述內(nèi)容，實現(xiàn)對橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬。

5 模擬實例分析

完成對橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬方法的設計后，結合某電廠企業(yè)在碼頭作業(yè)的條件，將1600t/h規(guī)格的橋式卸船機抓斗作為研究對象，利用本文上述提出方法對該橋式卸船機抓斗的搖擺情況進行數(shù)值模擬分析。將該規(guī)格的橋式卸船機抓斗的尺寸參數(shù)和作業(yè)船的型號輸入，并輸入多種抓斗小車運行速度數(shù)值和加速度數(shù)值，按照卸料作業(yè)過程進行搖擺數(shù)值模擬。表1為數(shù)值模擬輸入固定初始參數(shù)表。

表1 數(shù)值模擬輸入固定初始參數(shù)表

在完成對固定初始參數(shù)的設置后，在數(shù)值模擬過程中可變參數(shù)包括抓斗小車的運行速度，將其速度設置為從120m/min到150m/min，每間隔10m/min設置一個條件，共設置4個抓斗小車運行的條件。將小車運行的加速度也設置為四個不同條件，分別為1.0m/s2、1.1m/s2、1.2m/s2、1.3m/s2。在完成對各項參數(shù)的設置后，針對抓斗小車在不同運行速度和不同運行加速度條件下，平均搖擺循環(huán)時間、搖擺制動點位置和搖擺折返點位置進行記錄，并將數(shù)值模擬結果記錄成表2。

表2 抓斗小車搖擺數(shù)值模擬結果記錄表

表2中v表示抓斗小車運行速度；a表示抓斗小車運行加速度。同時，在橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬的過程中，針對不同水位，抓斗小車的平均搖擺循環(huán)時間也存在一定差異，當處于最高水位時，平均搖擺循環(huán)時間為40.26s；當處于平均水位時，平均搖擺循環(huán)時間為41.26s；當處于最低水位時，平均搖擺循環(huán)時間為42.36s。結合上述選擇的1600t/h規(guī)格橋式卸船機抓斗以及作業(yè)船的參數(shù)情況，若采用一般卸船作業(yè)方式，則其平均作業(yè)時間應當在50.00s以上，而從表2中得到的數(shù)值模擬結果可以看出，采用搖擺卸料的作業(yè)方式，平均作業(yè)時間均明顯小于50.00s。因此，通過分析得出，采用搖擺作業(yè)方式能夠有效提高橋上卸船機的作業(yè)效率。通過抓斗運行響應分析進一步得出，抓斗產(chǎn)生搖擺的機理為：當抓斗小車均勻加速時，抓斗與小車作單邊擺動；當小車在靜止狀態(tài)下處于均勻的水平移動狀態(tài)時，抓斗的抓斗角和角速都不能滿足變化條件，因此抓斗和小車的位移差異和速度差異就不會被同時消除，而在隨后的勻速行駛段，抓斗將會相對于小車的擺動。同時在進行橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬過程中發(fā)現(xiàn)，通過對具有一定空間裝配關系的多根鋼絲繩進行建模，數(shù)值模擬結果更加全面，能夠為橋式卸船機抓斗搖擺動力學分析提供有力支撐。

6 結語

通過本文上述論述，在引入數(shù)據(jù)挖掘技術的基礎上，提出了一種針對橋式卸船機抓斗搖擺情況的數(shù)值模擬方法。該方法在數(shù)值模擬過程中能夠充分考慮裝卸料、空氣阻力等實際作業(yè)時常出現(xiàn)的影響因素，實現(xiàn)對抓斗動力學特征的全面、深入仿真，以此實現(xiàn)橋式卸船機抓斗搖擺數(shù)值模擬。通過得到的數(shù)值模擬結果能夠確定抓斗搖擺的作用機理，為實現(xiàn)對抓斗搖擺更好地控制提供依據(jù)。