固定式港口起重機吊裝機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

何海勝，李旭平

(珠海天力重工有限公司，廣東 珠海 519000）

近年來，我國吊裝行業(yè)迅速發(fā)展，這就給固定式港口起重機的使用方法與設(shè)計工藝提出更高的要求，目前，很多固定式港口起重機的工藝設(shè)計也日益復(fù)雜。以前，設(shè)計的起重機的吊裝機構(gòu)一致沿用的方式——圖解設(shè)計，但是這種方法不能輕易計算出待定系數(shù)，不利于提高其設(shè)計的效率與準(zhǔn)確度，最為關(guān)鍵的問題是，圖解法不能很好地將優(yōu)化設(shè)計與吊裝機構(gòu)結(jié)合，從一定程度上限制了吊裝機構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。在這樣的情況下，ABAMS軟件應(yīng)運而生，這種軟件技術(shù)可以創(chuàng)建機械系統(tǒng)所有幾何模型的參數(shù)，能夠進行造型和參數(shù)分析，筆者立足于ABAMS軟件在固定式港口起重機吊裝機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，進行了深入的分析與研究。

1 固定式港口吊裝機構(gòu)運動分析以及設(shè)計計算

1.1 運動分析

通常情況下，單臂架式機構(gòu)和四連桿組合臂架式機構(gòu)組成了固定式港口起重機的工作機構(gòu)。在本文的研究中，筆者以四連桿組合臂架式機構(gòu)為例開展研究。在分析研究中發(fā)現(xiàn)，四連桿組合臂架式機構(gòu)應(yīng)用空間較大。當(dāng)起重機達到一定的高度時，起重機的整體尺寸會發(fā)生變化，逐漸偏小。與此同時，懸掛貨物的懸掛長度也會縮小，出現(xiàn)輕微的擺動現(xiàn)象。

吊裝機構(gòu)臂架的運動計算見圖1。

基本參數(shù)表見表1。結(jié)合基本參數(shù)表求得起重機吊架的長度是10.13m，臂架長度是19.91m，連桿長度是4.3m，前段長度是9.82m，后搖桿是17.48m。

1.2 設(shè)計計算

鋼絲繩、滑輪組以及卷筒是卷繞系統(tǒng)幾個部件，具體計算如下：

圖1 吊裝機構(gòu)臂架的運動簡圖

計算鋼絲繩最大靜拉力，如下計算過程：

滑輪與卷筒最低限定的直徑計算如下：

式中，S為最大靜載荷拉力；Q為起重機吊裝機構(gòu)質(zhì)量；m為滑輪組倍率數(shù)；n為卷筒鋼絲繩的數(shù)量；ηb為滑輪組效率；η1、η2為導(dǎo)向滑輪的效率。

總阻力計算如下：

計算式中可以看出，變幅阻力U0是由于重物和吊裝機構(gòu)并非沿直線行走以及起升拉力引起的；當(dāng)臂架系統(tǒng)失去平衡引發(fā)阻力，就產(chǎn)生了變幅阻力Ub；在正常的運行狀態(tài)中，由風(fēng)載荷產(chǎn)生的是變幅阻力Uw；在風(fēng)的作用下，重物產(chǎn)生擺動產(chǎn)生蝙蝠壓力UH；臂架系統(tǒng)在繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力造成邊幅壓力Uc；變幅過程中臂架系統(tǒng)在徑向產(chǎn)生的慣性力產(chǎn)生變幅阻力Ui；各機構(gòu)、零件之間的摩擦阻力產(chǎn)生變幅阻力Uf。

象鼻梁的基本機構(gòu)簡圖如圖2所示，其相關(guān)的計算如下。

圖2 象鼻梁的基本結(jié)構(gòu)簡圖

切口處相對變位為零可得到力法方程：

當(dāng)F1=F2=F3=F時，

基本參數(shù)表見表2。

表2 基本參數(shù)表

2 起重機吊裝機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)之前的設(shè)計結(jié)果，我們要對設(shè)計變量的最初參數(shù)展開修正，利用ADAMS軟件建立虛擬模型進行約束，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 鼻梁前端 x 方向的位置變化曲線

圖4 鼻梁前端y方向的位置變化曲線

根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)分析，在X方向上最小極限位置距離為5.49m，滿足設(shè)計最小極限位置5.5m。

3 結(jié)語

港口起重機如今已經(jīng)成為我國經(jīng)濟建設(shè)多個領(lǐng)域中不可缺少的重要設(shè)備，尤其近幾年，隨著我國在能源行業(yè)方面實現(xiàn)了快速發(fā)展，有力地帶動了中國港口起重機行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展，塑造并影響了一大批具有雄厚實力的吊裝設(shè)備施工企業(yè)。目前，中國涌現(xiàn)出越來越多吊裝帶行業(yè)先進企業(yè)。同時，隨著吊裝機構(gòu)的設(shè)計手段不斷優(yōu)化，海外市場也出現(xiàn)了中國起重機的身影。

結(jié)合上文所述，總結(jié)固定式港口起重機吊裝機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有以下體會：

（1）ADAMS仿真分析軟件能夠結(jié)合連桿運動機構(gòu)的性能和相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)虛擬模型的優(yōu)化設(shè)計，能夠較好地檢驗機構(gòu)是否設(shè)計合理，同時，其他構(gòu)件的干涉情況也能檢測。ADAMS仿真分析軟件利用的是虛擬樣機仿真技術(shù)。此項技術(shù)在整個產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)的過程中，能夠把分散的零件進行分析和設(shè)計，如可以將系統(tǒng)中零部件的CAD 和FEA 技術(shù)進行有效融合，立足于計算機技術(shù)創(chuàng)建出新的產(chǎn)品模型。在針對產(chǎn)品使用后出現(xiàn)的各種情況進行仿真分析，來對產(chǎn)品的整體性能進行預(yù)測，從而創(chuàng)新和提高產(chǎn)品的性能與技術(shù)。

（2）在關(guān)于固定式港口起重機吊裝機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，我們要始終以機構(gòu)運動學(xué)仿真分析為基礎(chǔ)，進行設(shè)計優(yōu)化的深入分析，將一些束縛的條件一一簡化。如此一來，就可以滿足我們在港口起重機工作中預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)和要求。

（3）通過利用虛擬樣機技術(shù)來模擬現(xiàn)實環(huán)境，可以形象直觀地分析出設(shè)計的可行性，有效地滿足設(shè)計的要求，減少了設(shè)計開發(fā)的成本及費用，為優(yōu)化固定式港口吊裝機構(gòu)設(shè)計提供了科學(xué)的辦法和路徑。

總的來說，虛擬樣機技術(shù)是20世紀(jì)80年代逐漸興起、基于計算機技術(shù)的一個新概念。從國內(nèi)外對虛擬樣機技術(shù)(Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虛擬樣機技術(shù)的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在不同定義，在起重行業(yè)與吊裝行業(yè)在社會發(fā)展中是相互促進和相互發(fā)展的，如今，吊裝設(shè)備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)迅猛發(fā)展，為港口起重機行業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。