橋式起重機(jī)的發(fā)展概述

黃家輝 王帥 李勝

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外很多起重機(jī)生產(chǎn)商開始利用仿真技術(shù)來對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)可靠性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)通過建立結(jié)構(gòu)的三維模型并模擬其運(yùn)動過程，然后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，以判斷設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否滿足要求，若不滿足設(shè)計(jì)要求，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對其進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到降低設(shè)計(jì)成本的目的。目前國內(nèi)很多生產(chǎn)廠商利用三維軟件對起重機(jī)的重要部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，提升企業(yè)競爭力。

仿真模擬則為實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)，可靠，復(fù)雜，高性能的起重機(jī)設(shè)計(jì)提供了一種新型的設(shè)計(jì)手段。

一、研究的背景和意義

起重機(jī)械可以完成僅靠人力無法完成的重物搬運(yùn)工作，可用來進(jìn)行起重、運(yùn)輸、安裝和裝卸的機(jī)械減輕了人類的勞動，提升了速率，在車站、工地、港口、工廠、礦場、倉庫、水電站、大壩等各種領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。起重機(jī)為不可缺少重要機(jī)械設(shè)施，不僅是生產(chǎn)過程中輔助機(jī)械，對于起重機(jī)的操作它直接影響到我們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。起重機(jī)它是一種短程搬運(yùn)材料的工具，它的運(yùn)動方式是循環(huán)的，間歇的運(yùn)動。起重機(jī)的一個(gè)工作周期包括：通過起升機(jī)構(gòu)把我們需要提升的物體提起，然后進(jìn)行移動，最后在特定的位置使物體下降，放在特定的位置，這樣循環(huán)往復(fù)工作。

二、橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r

1、國內(nèi)橋式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外許多起重機(jī)制造商已經(jīng)開始使用仿真技術(shù)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品，使用更高效和可靠的仿真技術(shù)來提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)的可靠性，并直接通過仿真分析設(shè)計(jì)判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，以減少生產(chǎn)成本的原型。

目前，國內(nèi)起重機(jī)正在從多個(gè)領(lǐng)域和方向上進(jìn)行優(yōu)化，以提高企業(yè)的競爭力。

中國起重機(jī)的研究和發(fā)展趨勢包括以下幾個(gè)方面：

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)：仿真設(shè)計(jì)是優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的一種。

該產(chǎn)品不僅要考慮其靜態(tài)特性，還要考慮其動態(tài)特性，但靜態(tài)特性不能通過實(shí)驗(yàn)方法反映出不同條件下的動態(tài)特性。動態(tài)特性要求樣品的生產(chǎn)，但在產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求之前制造樣品浪費(fèi)時(shí)間，增加了很多成本。仿真技術(shù)可以模擬產(chǎn)品在不同工況下的動態(tài)響應(yīng)。通過仿真數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)的質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià)，實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)，大大降低了設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本。

（2）新材料的應(yīng)用：由于鋼鐵行業(yè)的技術(shù)改造，鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量得到了提高，使用的材料數(shù)量可以減少，從而降低了設(shè)備的重量，降低了成本。在設(shè)計(jì)吊車梁強(qiáng)度時(shí)，可以不需要較高的安全系數(shù)就可以使用較高的許用應(yīng)力，這減少了所使用的材料的數(shù)量，而且由于可用驅(qū)動器的重量較輕，功率降低，降低了電力成本。

（3）模塊化設(shè)計(jì)：通過建立一個(gè)多層次的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化單元，如起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、部件等，產(chǎn)品的改進(jìn)只需要對目標(biāo)模塊進(jìn)行修改，大大加快了新產(chǎn)品的開發(fā)。

（4）“三個(gè)趨勢”和“三個(gè)特征”的發(fā)展：目前，中國正朝著大規(guī)模、自動化、一體化的方向發(fā)展：創(chuàng)新、可靠、安全，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，產(chǎn)品市場競爭力繼續(xù)提高。

（5）開發(fā)新的驅(qū)動組件：通過開發(fā)新的驅(qū)動組件，將發(fā)動機(jī)、制動器、減速機(jī)等機(jī)構(gòu)的簡化集成到一起。這種三合一結(jié)構(gòu)不僅提高了操作機(jī)構(gòu)的性能和壽命，而且提供了一個(gè)緊湊的結(jié)構(gòu)，保養(yǎng)方便，外形美觀。[1]

2、國外橋式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬樣機(jī)技術(shù)已在西方發(fā)達(dá)國家得到推廣和發(fā)展。德國、美國、日本等資本主義國家在這一新興技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的成就，在汽車工業(yè)、電子工業(yè)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、航空航天、工程機(jī)械、生物力學(xué)、醫(yī)藥、人工智能等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

在理論研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用離散有限元法建立了橋式起重機(jī)的運(yùn)動學(xué)方程，建立了起重機(jī)的多自由度力學(xué)模型。研究了不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性：美國學(xué)者Ali T. Alouani開發(fā)了一種系統(tǒng)的模糊控制器，在起重機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)了繩索的擺動;Blackburnd和Singhosew開發(fā)了一種命令成型算法用于提高非線性塔式起重機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的阻尼效應(yīng);克羅地亞學(xué)者Jolevski Danijel證實(shí)了控制器在橋式起重機(jī)模型中的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較，以防止繩索的擺動。

作為世界上最重要的建筑機(jī)械制造商之一，卡特彼勒在上個(gè)世紀(jì)90年代一直處于領(lǐng)先地位。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。這家公司便嘗試將仿真技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程當(dāng)中，整個(gè)設(shè)計(jì)過程和公司研究和開發(fā)的成本已經(jīng)大大降低，同時(shí)公司也保持一個(gè)穩(wěn)定的市場份額。

同樣的，為了解決高速施工機(jī)械的彎道現(xiàn)象和在重負(fù)下的自激振動，John Deere在沒有有效解決方案的前提下采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，使工程師能夠找到問題的根本原因。該公司還在原有計(jì)劃的基礎(chǔ)上提出了技術(shù)創(chuàng)新，大大提高了產(chǎn)品的高速駕駛性能和重型經(jīng)營性能，使產(chǎn)品在市場上更具競爭力。它的設(shè)計(jì)、裝配、性能評估和分析都是通過仿真技術(shù)完成的，這不僅減少了設(shè)計(jì)變更的數(shù)量，也降低了開發(fā)成本高達(dá)94%，提高了10倍的模具設(shè)計(jì)的精度，使開發(fā)周期減少了近50%。[2]

三、虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展

虛擬樣機(jī)技術(shù)指的是在實(shí)物原型建立之前的產(chǎn)品開發(fā)階段。設(shè)計(jì)師使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來構(gòu)建產(chǎn)品的整體模型，使用仿真分析來模擬產(chǎn)品投入使用后的實(shí)際情況，并以圖形的方式顯示出來。

使用虛擬樣機(jī)代替實(shí)物原型驗(yàn)證設(shè)計(jì)可以大大簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大大降低產(chǎn)品開發(fā)成本，顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品系統(tǒng)性能，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

多體系統(tǒng)的動力學(xué)它的計(jì)算是由計(jì)算機(jī)技術(shù)在靜態(tài)分析和運(yùn)動學(xué)分析以及力學(xué)系統(tǒng)的動力學(xué)分析這些方面的應(yīng)用而產(chǎn)生的，從而產(chǎn)生了多體運(yùn)動學(xué)的分析軟件，ADAMS就是代表之一。它與有限元相結(jié)合，成為了計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）非常重要的一部分。非常多的新技術(shù)集成到了虛擬樣機(jī)技術(shù)當(dāng)中，而多體系統(tǒng)動力學(xué)的核心就是模型的建立。數(shù)值計(jì)算的方法是應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)重要分支，為模型求解提供了一種快速有效的方法。計(jì)算機(jī)技術(shù)是其實(shí)現(xiàn)的外殼。CAD＼CAM＼CAE集成開發(fā)技術(shù)對虛擬樣機(jī)的應(yīng)用和推廣提供了非常好的技術(shù)條件。他的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)以及基于圖形的用戶界面的技術(shù)非常成熟，并且計(jì)算機(jī)的可視化和動畫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，這也為該項(xiàng)技術(shù)提供了友好的人機(jī)界面。

參考文獻(xiàn)：

[1]須雷.起重運(yùn)輸機(jī)械國內(nèi)市場需求預(yù)測[J]，世界機(jī)電經(jīng)貿(mào)信息，1996，11：23-24

[2]洪嘉振.多體系統(tǒng)動力學(xué)——理論、計(jì)算方法和應(yīng)用.上海：上海交大出版社，1992

[3]張?jiān)浇?多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS理論及應(yīng)用研討.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1996

[4]李軍，邢俊文，譚文浩等編.ADAMS實(shí)例教程.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002