基于ADAMS的門式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

黃麗群

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院寧德分院，福建寧德 352100）

0 引言

門式起重機(jī)在運(yùn)行過程中大車制動(dòng)失效或者大車行程限位失效時(shí)會(huì)與軌道的端部止擋裝置碰撞并產(chǎn)生較大的碰撞力，碰撞產(chǎn)生的碰撞力有可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體傾覆等特種設(shè)備事故。本文以MG3-18A5的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)作為研究對(duì)象，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)理論在ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行多種工況下的動(dòng)力學(xué)分析，為門式起重機(jī)整機(jī)及大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)、技術(shù)研究提供參考。

1 門式起重機(jī)的ADAMS模型

MG3-18A5的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 MG3-18A3的主要機(jī)構(gòu)性能參數(shù)

1.1 門式起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)特征

通過Solidworks軟件實(shí)現(xiàn)MG3-18A5通用門式起重機(jī)的實(shí)體建模，并導(dǎo)入ADAMS軟件環(huán)境中，圖1為ADAMS軟件模擬的在各種約束條件下的數(shù)字樣機(jī)模型。在ADAMS軟件中可以模擬出樣機(jī)的各種動(dòng)力學(xué)情況以及大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)行駛情況[1]。

圖1 數(shù)字樣機(jī)模型

整機(jī)在各種工作狀況下改變時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)是起重機(jī)動(dòng)力學(xué)研究的主要問題。為了研究樣機(jī)以及大車機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算問題，根據(jù)整機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量都是相對(duì)集中的特點(diǎn)把其簡(jiǎn)化成單、雙或者多質(zhì)量系統(tǒng)；利用動(dòng)量守恒原理對(duì)這些不同的單、雙或者多質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量推算，根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論對(duì)整機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析及研究[2]。

根據(jù)樣機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量推算，利用動(dòng)量守恒原理在多個(gè)不同質(zhì)量組成的系統(tǒng)中：

式中：m和v分別為整機(jī)推算系統(tǒng)的質(zhì)量和速度；J和w分別為推算系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度；J1,J2,J3,…,Jn和m1,m2,m3,…,mn分別為機(jī)構(gòu)中每個(gè)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量；w1,w2,w3,…,w n和v1,v2,v3,…,vn分別為機(jī)構(gòu)中每個(gè)零件的角速度和速度[3]。

1.2 ADAMS軟件中的約束條件

MG3-18A5D數(shù)字樣機(jī)在ADAMS環(huán)境中的約束添加如下[4]。

（1）固定副Fixed連接：支腿與主梁、支腿與下橫梁。

（2）圓柱副Cylindrical連接：大車輪、小車輪。

（3）接觸力Contact約束：大車輪與導(dǎo)軌之間、小車車輪與導(dǎo)軌之間。

（4）Bushing約束模擬運(yùn)行過程中鋼絲繩的擺動(dòng)：起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩。

2 起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

2.1 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)作為起重機(jī)主要承載部件在運(yùn)行過程中使整機(jī)與承吊物件做水平位移運(yùn)動(dòng)；所承吊物件在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)通常做的是擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。圖2所示為模擬在啟制動(dòng)情況下的動(dòng)力學(xué)模式[5]。

圖2 啟制停時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型

（1）啟動(dòng)時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)中懸掛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

啟動(dòng)時(shí)懸掛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程：

式中：m0為整機(jī)推算質(zhì)量；m1為大車機(jī)構(gòu)的推算質(zhì)量；m2為懸吊重物質(zhì)量；s0為質(zhì)量m0的坐標(biāo)；s1為質(zhì)量m1的坐標(biāo)；s為懸吊重物在大車運(yùn)行過程中擺動(dòng)的距離；F3為推算系統(tǒng)的變載荷力；F阻為門式起重機(jī)運(yùn)行受到的阻力；k為推算大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的剛性[6-9]。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)懸掛系統(tǒng)的偏擺力為：

（2）制停時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)中懸掛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

制停時(shí)懸掛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程：

式中：F4為作用在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的推算質(zhì)量m1上的制動(dòng)力。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)制停時(shí)懸掛系統(tǒng)的偏擺力為：

（3）大車機(jī)構(gòu)運(yùn)行工況下懸吊重物的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)型號(hào)可得大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在啟制停時(shí)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)

設(shè)大車機(jī)構(gòu)從啟動(dòng)到制動(dòng)整個(gè)運(yùn)行過程為10 s，則大車從0到額定速度的時(shí)間為0～2.4 s，制動(dòng)從額定速度到0的時(shí)間為為5.3～10 s。

整機(jī)物理樣機(jī)的推算質(zhì)量m0=27 250 kg，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的推算質(zhì)量m1=3 100 kg，承吊物件為額載質(zhì)量m2=3 000 kg，起升高度l=9 m。

將以上數(shù)據(jù)推算得動(dòng)力學(xué)方程：

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析可得承吊物件的偏擺力為：

圖3所示為在ADAMS軟件中用run-time函數(shù)模擬仿真懸掛系統(tǒng)在啟制停狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的偏擺力。

圖3 懸掛系統(tǒng)在啟制停工況下的偏擺載荷圖

從圖中可以看出起升機(jī)構(gòu)承吊物件在大車啟動(dòng)期間（0～2.4 s）承載的偏擺動(dòng)載荷最大，最大載荷為9 900 N；在大車制動(dòng)期間（5.3～10 s）承載的偏擺動(dòng)載荷較啟動(dòng)時(shí)小，最大載荷為4 900 N。

2.2 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

從起重機(jī)大車的功能和運(yùn)行工作狀態(tài)分析，本文主要從以下3個(gè)工況對(duì)大車的運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。具體工況如表3所示。

表3 MG3-18A5D運(yùn)行工況

（1）工況一

在無風(fēng)，小車額載在主梁跨中，以電動(dòng)機(jī)的額定加速度a=0.086 m/s2，從靜止加速到小車的額定速度9.3 m/min，勻速運(yùn)行一段時(shí)間后，制動(dòng)停止。

圖4所示為大車車輪與導(dǎo)軌接觸力變化曲線。從圖中不難發(fā)現(xiàn)起吊時(shí)兩者的接觸力存在較為劇烈的變化；大車車輪上垂直方向的最大支反力為3.8×105N，其力小于許用輪壓。

圖4 車輪與導(dǎo)軌接觸力的變化曲線

（2）工況二

無風(fēng)，小車額載在主梁跨中，大車以額定速度23 m/min的速度撞擊端部止擋，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，其結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖中可以看出在撞擊端部止擋過程中后側(cè)大車車輪抬高約1.25 mm，前側(cè)大車車輪抬高約0.75 mm。撞擊過程起重機(jī)產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)，但沒有傾覆。

圖5 后側(cè)大車車輪抬起高度的變化曲線

（3）工況三

無風(fēng)，小車在額載狀態(tài)下在主梁跨中，上升過程中突然卸載。其動(dòng)力學(xué)分析[3]結(jié)果如圖7所示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)懸掛系統(tǒng)在卸載的瞬間，兩者的接觸力產(chǎn)生較大的波動(dòng)并產(chǎn)生動(dòng)載荷，根據(jù)分析其最大接觸力為4.2×105N且小于許用輪壓。

圖6 前側(cè)大車車輪抬起高度的變化曲線

圖7 大車車輪與導(dǎo)軌的接觸力曲線

從以上的動(dòng)力學(xué)分析可以看出門式起重機(jī)整機(jī)及大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)基本符合起重機(jī)動(dòng)力學(xué)的理論計(jì)算，符合安全生產(chǎn)的設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 結(jié)束語

本文通過運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)建立門式起重機(jī)整機(jī)及大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)分析，分析大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在3種不同工況下大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的接觸力、抬高變化情況，為門式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、技術(shù)研究提供參考。