基于ADAMS的門式起重機(jī)超載和動(dòng)載安全分析

黃正球 胡 朋 許海翔

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333)

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，門式起重機(jī)由于其具有場(chǎng)地覆蓋面和作業(yè)半徑大、適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于碼頭及堆場(chǎng)。超載、突然加速等是起重機(jī)事故高發(fā)的主要原因，因此，針對(duì)起重機(jī)超載工況下、突然加速工況下進(jìn)行分析是非常必要的，然而對(duì)這些工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)往往具有破壞性和危險(xiǎn)性[1]。

本文以單主梁通用門式起重機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用ADAMS軟件的仿真分析，模擬門式起重機(jī)的超載工況和突然加速工況，通過試驗(yàn)，掌握起重機(jī)受力變化及其抗傾覆性能，分析起重機(jī)可能發(fā)生的故障和危害。

1 門式起重機(jī)幾何建模

以某20 t的L形單主梁門式起重機(jī)作為研究對(duì)象，整機(jī)工作級(jí)別為A5，主要技術(shù)參數(shù)見表1。由于門式起重機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，加上ADAMS自身的建模功能有限，因此先根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙，運(yùn)用PROE軟件對(duì)該門式起重機(jī)進(jìn)行建模，并裝配完成三維CAD幾何模型，見圖1；再通過專門的接口程序?qū)階DAMS軟件，形成完整的虛擬樣機(jī)模型。轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵步驟，當(dāng)模型過于復(fù)雜時(shí)，轉(zhuǎn)換容易出錯(cuò)，為了避免這種情況，筆者對(duì)設(shè)備做了合理的調(diào)整，有效地降低了仿真計(jì)算的復(fù)雜程度，避免出錯(cuò)，形成了有效的起重機(jī)虛擬模型，見圖2[1-2]。

表1 門式起重機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 門式起重機(jī)三維CAD模型

圖2 ADAMS環(huán)境下起重機(jī)虛擬樣機(jī)模型

2 超載和動(dòng)載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要研究以下內(nèi)容：1）超載時(shí)，門式起重機(jī)的受力情況；2）超載時(shí)，門式起重機(jī)是否會(huì)傾覆；3）砝碼突然加速上升時(shí)，門式起重機(jī)產(chǎn)生的附加動(dòng)載荷；4）砝碼突然加速上升時(shí)，門式起重機(jī)是否會(huì)傾覆。

在本試驗(yàn)中，筆者主要考慮3種情形：1）小車停放在起重機(jī)主梁的跨中；2）小車停放在起重機(jī)左邊懸臂端極限處；3）小車停放在起重機(jī)右邊懸臂端極限處。砝碼在前5 s內(nèi)靜止，然后開始加速上升，在設(shè)定的加速時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大上升速度9.29 m/min（154.833 mm/s），然后砝碼再以最大上升速度勻速上升5 s，接著砝碼開始減速制動(dòng)，制動(dòng)停止后吊物在指定的高度靜止一段時(shí)間[3]。在本試驗(yàn)中，大車和小車靜止不動(dòng)，不考慮工作風(fēng)壓，風(fēng)載荷忽略不計(jì)。根據(jù)小車停放在不同的位置、不同的砝碼重量、不同的加速起升時(shí)間以及不同的制動(dòng)時(shí)間，共設(shè)計(jì)了12種仿真試驗(yàn)工況，各次試驗(yàn)的參數(shù)取值參見表2。試驗(yàn)中最危險(xiǎn)的工況分別為1-4、2-4和3-4，因此本文主要介紹這3種工況下門式起重機(jī)仿真試驗(yàn)結(jié)果。

表2 12種工況仿真試驗(yàn)

3 試驗(yàn)分析

3.1 主起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩的拉力分析

在實(shí)際工作過程中，門式起重機(jī)通過卷筒來拉動(dòng)鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的伸長(zhǎng)和縮短動(dòng)作。鋼絲繩纏繞在固定滑輪組和安裝吊鉤的動(dòng)滑輪組上，吊鉤以及所連接吊物在提升過程中會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)，鋼絲繩的受力主要是沿兩端固定滑輪組和動(dòng)滑輪組連線方向的拉力，而對(duì)吊鉤和吊物的擺動(dòng)約束幾乎為0[4]。因此設(shè)計(jì)了球面副和平移副相結(jié)合的組合約束模型，來真實(shí)地模擬門式起重機(jī)的鋼絲繩與吊鉤系統(tǒng)[5-7]。在固定滑輪組與鋼絲繩連接處，設(shè)置球面副，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩繞固定滑輪組的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)變形效果[5]；在固定滑輪組和動(dòng)滑輪組連線方向設(shè)置移動(dòng)副，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)滑輪組和吊鉤重物的上升下降運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)鋼絲繩拉力的傳遞。

工況1-4、工況2-4和工況3-4下鋼絲繩的靜態(tài)拉力大約為392 kN，最大的動(dòng)態(tài)拉力大約為412 kN，試驗(yàn)結(jié)果見圖3和表3[6]。

表3 主起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩的拉力

圖3 鋼絲繩拉力的變化曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到：砝碼在超載情況下，鋼絲繩拉力劇增，砝碼重量與鋼絲繩拉力成線性正比；特別是在加速的進(jìn)程中，鋼絲繩的動(dòng)載效應(yīng)顯現(xiàn)；提升加速度越大，鋼絲繩的拉力也越大。對(duì)于本試驗(yàn)分析的工況1-4、工況2-4和工況3-4的拉力，和靜態(tài)工況時(shí)相比較，大約增加了5%。

3.2 大車車輪與軌道間的接觸力分析

門式起重機(jī)大車通過4個(gè)車輪與軌道接觸，在正常情況下大車車輪與軌道接觸，產(chǎn)生相互作用的法向接觸力和摩擦力；通過主動(dòng)車輪與軌道之間摩擦力產(chǎn)生的力矩，驅(qū)動(dòng)大車前進(jìn)或后退；如果因種種原因車輪與軌道脫開，則大車車輪與軌道間的相互作用力則為0。因此在大車車輪與軌道間施加了接觸力約束[1，7]。當(dāng)2個(gè)構(gòu)件相互接觸且發(fā)生變形時(shí)，產(chǎn)生接觸力，接觸力的大小與變形的大小以及變形的速度有關(guān)，如果2個(gè)構(gòu)件相互分開不接觸，則接觸力為0[8]。根據(jù)2個(gè)構(gòu)件之間法向接觸力的大小，可以確定接觸處的切向摩擦力值。在ADAMS中，接觸力的計(jì)算式見式（1）：

式中：

STEP（q，q0-d，1，q0，0)——連續(xù)階梯函數(shù)；

q——2個(gè)構(gòu)件之間的實(shí)際距離；

q0——開始接觸的觸發(fā)距離；

K——接觸剛度系數(shù)；

C——阻尼系數(shù)；

d——阻尼的過度變形深度。

當(dāng)小車空載時(shí)，主動(dòng)車輪和被動(dòng)車輪作用于大車軌道上的接觸力如圖4～圖6所示。當(dāng)小車位于跨中時(shí)，兩側(cè)主動(dòng)輪、被動(dòng)輪和軌道接觸力穩(wěn)定后均值分別約為240 kN和160 kN；當(dāng)小車位于懸臂端時(shí)，懸臂端側(cè)主動(dòng)輪和被動(dòng)輪與軌道間接觸力分別約為270 kN和175 kN，另一側(cè)則約為210 kN和145 kN。

圖5 小車空載位于左側(cè)懸臂端時(shí)左右兩側(cè)主動(dòng)輪接觸力

圖6 小車空載位于左側(cè)懸臂端時(shí)左右兩側(cè)被動(dòng)輪接觸力

工況1-4、工況2-4和工況3-4下大車車輪作用于大車軌道上的力的仿真試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 大車車輪作用于大車軌道上的接觸力

仿真結(jié)果表明：1)大車車輪作用于大車軌道上的力主要取決于吊物的重量和起重機(jī)自重；2)不同的小車位置，主動(dòng)輪和被動(dòng)輪作用于軌道上的力也有微小變化；3) 當(dāng)小車和吊物靜止時(shí)，主動(dòng)輪和被動(dòng)輪作用于大車軌道上的接觸力基本保持不變；4) 在突然起吊過程中，由于動(dòng)載荷的作用，車輪作用于大車軌道上的力又有所變化，但是變化微乎其微。

3.3 仿真試驗(yàn)總結(jié)

通過以上危險(xiǎn)工況的仿真，可以得出以下結(jié)果：1）在吊物超載和加速提升的過程中，動(dòng)載拉力與加速度、重物重量有很大的關(guān)系，重量越大，鋼絲繩拉力越大，加速度越大，鋼絲繩所受的拉力也隨之增加。雖然在超載和動(dòng)載工況下，鋼絲繩未破斷，以及整機(jī)未傾覆，但是鋼絲繩安全系數(shù)銳減，大大影響使用壽命，存在較大的安全隱患。因此，在設(shè)計(jì)和使用過程中，應(yīng)該盡量避免超載和急加、減速；2）大車車輪與軌道接觸力的大小主要與吊物重量、起重機(jī)自重有關(guān)，受小車位置、加速起吊以及減速制動(dòng)影響較小，接觸力始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0，說明大車車輪沒有脫離軌道，未發(fā)生傾覆[6]。

4 結(jié)束語

通過對(duì)門式起重機(jī)虛擬樣機(jī)建模，對(duì)起重機(jī)超載和動(dòng)載工況進(jìn)行了模擬仿真試驗(yàn)，獲得了在各種極端工況下門式起重機(jī)的鋼絲繩拉力變化、大車車輪與軌道接觸力變化等數(shù)據(jù)結(jié)果，為使用單位編制安全操作規(guī)程、建立事故應(yīng)急預(yù)案指明了方向，為制造單位提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，為檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)檢測(cè)、安全評(píng)估指明了方向，為監(jiān)管部門科學(xué)地制定專項(xiàng)整治提供了技術(shù)支持，從而大大提高起重機(jī)的安全性。