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门座起重机组合臂架变幅机构的仿真分析常亚坤 盛冬发 杨雪微西南林业大学 昆明 650224摘 要：为了得到良好的工作机动性，现代门座起重机大多采用摆动臂架式变幅，其中最典型的是四连杆组合臂架变幅机构。
文中运用ADAMS 仿真软件，对门座起重机四连杆组合臂架变幅机构进行三维建模以及运动仿真，并完成关于变幅运动过程的位移、速度和加速度曲线分析，较好地解决了门座起重机变幅轨迹问题，为门座起重机四连杆组合臂架系统的设计提供了重要的参考数据。
关键词：门座起重机；组合臂架；变幅机构；ADAMS；仿真中图分类号：TH213.4 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2022）15-0026-04Abstract: In order to obtain good maneuverability, most modern portal cranes adopt swing jib luffing mechanism, among which the most typical one is the four-bar combination jib luffing mechanism. In this paper, by using ADAMS simulation software, the three-dimensional modeling and motion simulation of the luffing mechanism of the portal crane’s four-bar combination jib are carried out, and the displacement, velocity and acceleration curves in the luffing process are analyzed, which solves the luffing trajectory of the portal crane well and provides important reference data for the design of the portal crane’s four-bar combination jib system.Keywords: portal crane; combined boom; luffing mechanism; ADAMS; simulation0 引言在门座起重机（以下简称门机）中，从取物装置中心线到起重机旋转中心线之间的距离称为起重机的幅度，起重机中用来改变振幅的机构称为变幅机构，利用变幅机构可以扩大起重机的作业范围。
机械系统的动力学建模与仿真分析随着科技的不断进步和发展，机械系统的动力学建模与仿真分析在工程领域扮演着至关重要的角色。
机械系统的动力学建模与仿真分析是对机械系统进行模拟与预测的过程，通过对系统的建模以及仿真分析，可以有效地评估机械系统的运动性能、稳定性以及受力情况，为工程师提供重要的参考和指导。
动力学建模是机械系统分析的第一步。
在动力学建模中，我们需要考虑系统所受外界力的作用、系统内部元件的耦合关系以及各个部分之间的相互作用。
通过对机械系统进行力学分析，可以建立系统的运动方程，从而描述系统中各个组成部分之间的力学关系。
动力学建模的一个重要方面就是建立机械系统的运动方程。
运动方程是描述物体在运动过程中位置、速度以及加速度之间关系的方程。
在建立机械系统的运动方程时，需要考虑各个部件的质量、惯性矩和外力的作用。
通过解析方法或者数值计算的方法求解运动方程，可以得到系统在不同条件下的动态响应。
除了运动方程，动力学建模还需要考虑机械系统的受力情况。
机械系统中的各个部件之间会存在着相互作用力和约束力，这些力对机械系统的运动和稳定性产生着重要影响。
通过建立受力关系，可以分析系统中各个部件承受的力和应力分布情况，从而评估系统的性能。
动力学建模完成后，我们就可以进行仿真分析。
仿真分析是通过计算机模拟机械系统的运动和受力情况，以评估系统的性能。
仿真分析可以帮助工程师预测机械系统在不同工况下的运行情况，为设计和优化提供辅助。
在仿真分析中，我们可以改变各个参数的数值，观察系统的响应和运行状态。
通过仿真分析，我们可以预测系统的运动轨迹、速度和加速度的变化规律，以及系统在不同条件下的稳定性。
这些信息对于优化机械系统的设计和预测系统的工作性能具有重要意义。
虽然动力学建模与仿真分析在机械工程中具有重要的地位，但是这一过程并不是一蹴而就的。
动力学建模与仿真分析需要工程师具备扎实的理论基础和工程经验，同时还需要熟练掌握相应的计算软件和数值方法。
QY20汽车起重机动力学仿真分析江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院方维摘要：虚拟样机作为产品设计的一项新技术，对于传统的产品设计方法是一次革命。
本文利用ADAMS软件构建了QY20汽车起重机动力学仿真模型，并对其在带载回转过程中的突然卸载工况进行了分析。
关键词：虚拟样机；ADAMS；汽车起重机；动力学仿真Abstract: As a new technology of product design, Virtual Prototype is a revolution to traditional method of products design. In this paper, the model of QY20 truck crane was built based on ADAMS and analysis the process of rotating with weight remove abruptly.Key words：Virtual prototyping；ADAMS；Truck crane；Dynamic simulation引言在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。
在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。
当通过试验发现缺陷是，又要回头修改设计并再用样机进行试验。
只有通过周而复始的设计——试验——设计过程，产品才能达到要求的性能。
通过虚拟样机技术，工程设计人员直接利用CAD系统所提供的零部件的物理信息以及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断的改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机[1]。
机械系统动力学建模与仿真机械系统动力学建模与仿真是现代机械设计的重要内容之一，如何掌握机械系统动力学建模与仿真是现代工程设计人员的核心能力，本文以此详述机械系统建模与仿真的过程，以及现代机械动力学建模与仿真过程中应注意的问题与现状，为现代工程设计人员的设计提供新思路，为机械系统动力学与仿真的进一步发展提供理论基础。
标签：机械动力学；建模与仿真；现代工程设计动态仿真在制造业应用非常广泛，经过长期的实践检验，表明动态仿真理论与方法可以明显的提高设计的速度和质量，继而大大降低设计成本，是现代制造业中新产品设计的一个发展趋势，是从事现代制造工程的高级设计人员必须掌握的重要工具之一。
1 动态仿真的作用及过程对于现代制造产业，动态仿真是根据现实制造系统现状对新产品、新技术对象的抽象属性的模仿，针对这种模型在计算机上进行模拟和实验，根据计算机获得的实验数据进行，获得这种模型的资料、信息以及结果，最后对现实制造业中的新产品或者新技术设计方案做出合理正确的评估。
随着计算机行业的快速发展，计算机的容量及计算速度有了快速的提高，为动态仿真的实现提供了有利的工具。
建立在计算机强大的计算能力和速度，近代来，动态仿真有了蓬勃的发展。
采用计算机技术和制造技术对实际中一些新产品的设计与开发进行建立数学模型，并在抽象出的实验条件下（如载荷、湿度、温度等）对模型进行动态再现的一种融合性技术。
这种技术具有效率高、运行安全、受环境的约束影响少、各种比例尺可以改变、使用方便等优点，在航天、航空、核工业、机械工程、化工等工程技术领域有广泛的应用，成为现代科学设计、优化方法的发展趋势。
然而，这种动态仿真技术主要应用于科研机构和大型公司，在中小企业应用不多，还需要进一步推广，基于此本文主要针对动态仿真技术在机械制造业的使用过程及现状进行研究，促进动态仿真技术的推广及提高中小型制造业设计创新能力。
2 动态仿真的步骤根据制造业的特点，新产品新技术动态仿真的步骤主要有3步。
机械系统动力学建模与仿真机械工程是一门应用科学，涉及设计、制造、分析和维护各种机械设备和系统的原理与方法。
在机械工程领域中，机械系统动力学建模与仿真是一项重要的技术，它可以帮助工程师们更好地理解和预测机械系统的运行行为，从而提高设计和制造的效率。
机械系统动力学建模是将机械系统的结构和运动特性抽象为数学模型的过程。
在建模过程中，工程师需要考虑系统的物理特性、运动学关系、力学原理等因素，以及系统中各个组件之间的相互作用。
通过建立准确的数学模型，工程师可以深入研究系统的运动规律和响应特性，为系统设计和性能优化提供理论依据。
机械系统动力学仿真是基于建立的数学模型，利用计算机技术进行系统行为模拟和预测的过程。
仿真可以模拟系统在不同工况下的运动状态、力学响应和能量传递等行为，帮助工程师们更好地理解系统的性能和行为特点。
通过仿真，工程师可以进行多种设计方案的比较和优化，减少试错成本，提高工程效率。
机械系统动力学建模与仿真在许多领域都有广泛的应用。
例如，在汽车工程中，工程师可以建立车辆悬挂系统的动力学模型，并通过仿真分析不同路况下的车辆运动行为，以优化悬挂系统的设计。
在航空航天工程中，工程师可以建立飞行器的动力学模型，并通过仿真评估飞行器的稳定性和控制性能。
在机械制造领域，工程师可以建立机床的动力学模型，并通过仿真分析机床的运动特性，以提高加工精度和生产效率。
机械系统动力学建模与仿真的发展离不开计算机技术的支持。
随着计算机计算能力的不断提高和仿真软件的不断发展，工程师们可以更加方便地进行复杂系统的建模和仿真。
同时，计算机技术的发展也为机械系统动力学建模与仿真提供了更多的应用场景，例如虚拟现实技术的应用可以实现对机械系统的虚拟仿真，加快设计和验证的过程。
总之，机械系统动力学建模与仿真是机械工程领域中一项重要的技术。
通过建立准确的数学模型和进行系统行为的仿真分析，工程师们可以更好地理解和预测机械系统的运行行为，从而提高设计和制造的效率。
机械动力学分析与模拟的新技术与方法近年来，随着科技的不断进步和发展，机械动力学分析与模拟的新技术与方法也日益成熟。
这些技术和方法的应用，不仅可以提高机械系统的设计和性能，还可以降低生产成本，提高工作效率。
本文将介绍几种新的机械动力学分析与模拟技术和方法，并探讨其在工程实践中的应用。
一、虚拟样机技术虚拟样机技术是一种基于计算机仿真的机械动力学分析与模拟方法。
通过将机械系统的设计和制造过程数字化，可以在计算机上建立一个虚拟的机械系统模型，模拟其运行和工作状态。
这种方法可以帮助工程师在设计阶段发现问题，并进行优化，从而减少实际制造过程中的错误和成本。
虚拟样机技术的应用范围非常广泛，例如在汽车工业中，可以通过虚拟样机技术对汽车的悬挂系统进行分析和模拟，以提高行驶的平稳性和舒适性。
在航空航天工业中，可以利用虚拟样机技术对飞机的结构和飞行性能进行模拟，以提高飞行安全性和燃油利用率。
二、多体动力学分析多体动力学分析是一种研究机械系统运动规律的方法。
它通过建立机械系统的运动方程，分析系统各个部件之间的相互作用和运动轨迹，从而得出系统的运动状态。
多体动力学分析可以帮助工程师预测机械系统的运行情况，优化系统设计，提高系统的稳定性和可靠性。
在多体动力学分析中，常用的方法包括刚体动力学分析和柔体动力学分析。
刚体动力学分析适用于刚性机械系统，可以通过建立刚体的运动方程，计算系统的受力和受力矩，从而得出系统的运动状态。
柔体动力学分析适用于柔性机械系统，可以通过建立弹性体的运动方程，计算系统的应力和变形，从而得出系统的运动状态。
三、有限元分析有限元分析是一种基于数值计算的机械动力学分析方法。
它通过将机械系统划分为有限个小元素，建立元素之间的力学关系和边界条件，利用数值方法求解系统的运动方程，从而得出系统的运动状态。
有限元分析可以帮助工程师预测机械系统的应力和变形情况，优化系统设计，提高系统的强度和刚度。
有限元分析的应用非常广泛，例如在结构工程中，可以利用有限元分析对建筑物的承载能力和稳定性进行评估。
机械系统的动力学建模与仿真在现代工程领域中，机械系统的动力学建模与仿真是非常重要的一项技术。
通过对机械系统的动力学行为进行建模和仿真，可以更好地理解系统的运动规律、分析系统的响应性能，并进行系统性能的优化。
本文将介绍机械系统的动力学建模与仿真的基本原理和方法。
1. 动力学建模的基本原理机械系统的动力学行为可以用力学原理来描述。
根据牛顿第二定律，物体的运动状态由物体所受的合外力和惯性力共同决定。
因此，建立机械系统的动力学模型需要考虑物体所受的外力、惯性力和各种约束力。
在建模过程中，可以采用拉格朗日力学或哈密顿力学的方法。
拉格朗日力学是一种描述系统动力学行为的数学工具，通过定义系统的拉格朗日函数，并应用欧拉-拉格朗日方程，可以得到系统的运动方程。
哈密顿力学是拉格朗日力学的一种变换方法，通过定义系统的哈密顿函数，并应用哈密顿方程，同样可以得到系统的运动方程。
2. 动力学建模的步骤机械系统的动力学建模通常包括以下几个步骤：2.1 系统几何建模系统几何建模是指对系统的结构和组成进行描述，包括各个零件的尺寸和形状。
可以使用CAD工具进行系统几何建模，在建模过程中需要考虑系统的约束条件和运动自由度。
2.2 力学模型建立在系统几何建模的基础上，需要建立系统的力学模型。
根据系统的物理性质和运动规律，选择适当的力学模型，可以是刚体模型或柔性模型。
2.3 选择适当的坐标系根据系统的运动规律和坐标的选择，确定适当的坐标系。
坐标系的选择应考虑使得系统的运动方程简化，并便于建立系统的动力学模型。
2.4 确定系统的运动方程根据系统的物理性质和所受的外力，利用拉格朗日力学或哈密顿力学的方法，得到系统的运动方程。
运动方程可以是微分方程或差分方程的形式，具体形式根据系统的性质和仿真的需求来确定。
3. 动力学仿真的方法动力学仿真是通过计算机模拟机械系统的运动行为。
通过对运动方程进行数值求解，可以得到系统的状态随时间的变化。
在仿真过程中，可以根据需要调整系统的参数，模拟不同的工况和运动条件。
门式起重机虚拟样机建模与动力学仿真 摘要：研究了门式起重机动力学虚拟样机的建模方法,根据刚性体部件、柔性体部件和钢丝绳的特点,分别给出了不同的建模方法。通过对起升工况和大车运行工况进行动力学仿真,得到了整机的位移时间历程、动应力以及各连接件之间的作用力等,较真实地反映了门式起重机在作业过程中的动态特性。
起重机在起动和制动的过程中,承受着强烈的冲击振动,这种冲击振动产生的动载荷在起重机运行过程中的影响是必须加以考虑的。长期以来,在起重机设计中都是将动态问题简化为静态问题处理,一些国家和国际起重机协会的起重机设计规范均采用一个动载系数φ2 来考虑这种动态载荷。其最大的缺陷是不能够较为准确地反映起重机实际工况的动态性能。近年来,国内外不少研究者根据起重机的实际结构及受载特点,对起重机结构和机构的振动进行了大量的动态仿真计算和研究分析,使动态仿真方法逐步应用于起重机的设计计算分析中。本文主要探讨将虚拟样机技术运用于起重量为250 t的门式起重机的动态设计,就门式起重机的起升工况和大车运行工况进行仿真研究,探索建立门式起重机动力学虚拟样机的方法。
门式起重机的虚拟样机的建模: 门式起重机的整机结构形式如图1所示。主要由小车、门架结构、大车运行机构、副机房、司机室、测风装置和栏杆梯子平台等组成。
门式起重机的门架结构的主梁和支腿均采用箱型焊接结构,主梁和支腿之间通过法兰盘连接。小车位于门架主梁的轨道上,主起升机构和小车运行机构放置于小车上。副机房固定在门架主梁的伸出端,其作用是控制副起升。
1. 副机房 2. 小车 3. 测风装置 4. 主吊钩 5. 司机室 6. 大车运行机构 7. 栏杆梯子平台 8. 副吊钩 9. 门架结构 刚柔耦合门式起重机模型 : 本文建立的门式起重机模型是刚柔耦合的虚拟样机模型。采用Pro /E建立门式起重机中的刚体部件,然后导入ADAMS。
柔性体部件的建立(见图2)是采用ANSYS有限元分析计算软件,有限元模型一般采用建立刚性节点的方法实现柔性体与外部构件之间的连接。如图2中的10个外部节点即为在ADAMS中的联接点,其中, 1～4处装配大车车轮; 5～9处装配小车系统; 7、10 处装配副机房。ANSYS中的柔性体通过mnf. 中性文件导入ADAMS中。
图2 门架结构的有限元模型 钢丝绳是起重机的主要挠性构件。钢丝绳在ADAMS中的建模方法是用一段段的圆柱体通过轴套力(Bushing)连接来模拟钢丝绳的。这种方法较真实地反映了钢丝绳的拉伸、弯曲等力学性能,但分段很多,计算规模较大。在很多情况下,钢丝绳弹性对系统影响很小或只有拉伸的影响,因此可以简单地用一个弹簧阻尼器来模拟。本文采用的就是这种方法。本模型中的钢丝绳由3 段圆柱体结合Joint生成,上两段圆柱体之间施加了一个移动副,对其施加运动函数,用于模拟钢丝绳的起升运动;下两段圆柱体之间施加了一个弹簧力,赋予刚度和阻尼属性,模拟钢丝绳的动力学性能。
当刚性体部件、柔性体部件和钢丝绳等都导入ADAMS后,添加相应的约束和载荷,就生成了门式起重机的整机模型,见图3,通过对整机进行仿真,即可输出仿真分析结果。 图3 门式起重机虚拟样机模型 起升工况的动力学仿真 分析整个起升过程,在起升机构刚起动的瞬间,绳索系统是松弛的,因此起升机构运动的第1阶段是在空转,这时松弛的绳索被收紧;当绳索开始受力时,这一阶段结束,这时m1 具有一定的速度,而m0、m2 还处于静止状态。从绳索受力开始直至滑轮组的弹性张力等于荷载重力Q 为止,这是运动的第2阶段。在这一阶段中, m2 还处于静止状态,而m1 和m0 则在滑轮组弹性力和门架主梁弹性力的作用下产生振动,这一阶段钢丝绳的弹性力将从零增大到Q[ 1 ] 。
第3阶段从吊重离地瞬间开始[ 2、3 ] 。它的计算模型简化为图4。图4中m0 为小车系统的推算质量; k0 为主梁的刚度系数; m1 为电动机转子和机构中所有运动部分的推算质量; m2 为吊重的质量; k为钢丝绳的刚度系数; P为电动机的驱动力; s0、s1、s2 分别表示质量m0、m1、m2 的位移。 图4 起升机构的计算模型 由拉格朗日方程[ 4 ]可以得到m0、m1、m2 的3个运动微分方
程: 求解该方程组可以计算出该三质量二自由度的完整解。但考虑到m0 的动变形与静变形相差很少,故不考虑m0 的运动方程,系统简化为二质量一自由度系统。在吊重离地的瞬间, m1 的速度为v,m2 的速度为零,可解得钢丝绳(及传动系统)的力F
为: 其中: 离地起升工况中钢丝绳的受力情况可以用以下方程组表示:
其中, [0, t1 )为离地之前的时间; s ( t)为离地之前钢丝绳随时间的伸长量; [ t1 , t2 )为从离地开始到平稳上升之间的时间; [ t2 , t3 )为平稳上升的时间; [ t3 ,t4 )为从制动开始到静止的时间。
该方程组的曲线形式见图5。
图5 吊重离地起升工况的动载荷理论曲线 2. 1. 2 起升制动工况计算
下面讨论起升机构在上升平稳后制动工况时系统的动载荷计算。起重机在这种工况时,受到起升机构中电动机的制动力Pz 的作用。同样可解得钢丝绳(包括传动系统)的力为: 2. 2 起升工况的仿真分析[ 5 ]
对于门式起重机的离地起升工况,在ADAMS所建虚拟样机中实现方法是,首先吊重静止放在地面上,地面与吊重之间施加接触力,初始接触力等于吊重重力,即钢丝绳尚未提供拉力,然后拉动起升钢丝绳上端将其提起,平稳上升后,对其制动。根据实际情况给钢丝绳上端施加描述起升运动的函数。
2. 2. 1 模型的相关参数设置 根据电机选型后的起制动时间验算,得到启动过程为0. 98 s,制动过程为1. 01 s。起升运动函数的加速度曲线见图6。
图6 钢丝绳的起升加速度曲线 钢丝绳的刚度则可以通过虎克定律计算得到。
2. 2. 2 起升工况仿真结果 在仿真起始时首先做静平衡分析。然后模拟起升运动的运动副拉动钢丝绳上端将吊重拉离地面,得到平稳上升中的变形云图和应力云图,可知起升工况中门架的最大应力为129. 06MPa。
门架的变形曲线图和应力曲线图见图7、图8。 图9中的实线为吊重起升过程中钢丝绳的受力情况,虚线为起升瞬间地面对吊重的接触力变
化曲线。 图9 钢丝绳张力与地面接触力曲线 由图9可以看出,在1. 38 s时,吊重离开地面,此时钢丝绳承受较大的冲击力,其最大拉力为1. 33×106N。在5 s时,起升过程开始制动,此时钢丝绳的张力有一个较大的波动。 本模型中门式起重机的起重量为250 t,且由两根钢丝绳同时承受拉力,所以可以得出动载系数φ2为: 此外,通过仿真还可以得到机构中各部件的速度曲线、加速度曲线及相互之间的作用力等。
3 大车运行机构动力学仿真 大车运行机构在启动和制动时,悬吊着的吊重将会摆动。吊重摆动时,将会对起重机产生附加的水平力。
3. 1 大车运行工况计算理论 3. 1. 1 大车运行启动工况计算 图10为大车运行机构运行时的示意图,图11所示的三质量二自由度的弹性系统为大车运行机构的简化系统。 计算模型中的参数说明如下: m0 为起重机大车的推算质量; m1 为大车传动系统的推算质量; m2 为吊重的质量; k01为大车运行机构高速部分的刚度系数; l为吊重起升时钢丝绳的长度; k20为吊重摆动的刚度系数, k20 =Q/l=m2 g/l; P为大车运行机构的电动机的驱动力;W 为大车的运行静阻力; s0、s1、s2 分别为质量m0、m1、m2 的位移。
由于高速部分的刚性系数k01比吊重摆动的刚性系数k20大得多。因此可以用一个二质量一自由度的系统来解决吊重的摆动问题,见图12。
图12 大车运行启动工况计算简图 由拉格朗日方程得到运动微分方程组: 已知s0 - s2 为吊重与大车之间的相对摆幅,因此可以解得摆动的水平力为: 式
中, 3. 1. 2 大车运行制动工况计算
门式起重机在大车运行制动时,受到运行机构中电动机的制动力Pz的作用。 此处亦将系统简化为二质量一自由度系统,见图13。
图13 大车运行制动工况计算简图 同样,解得摆动的水平力
为: 大车运行工况中的水平动载荷,可以用以下方程组表示: 其中, [0, t1 )为大车运行起动的时间; [ t1 , t2 )为大车平稳运行的时间; [ t2 , t3 ]为大车运行制动的时间。该方程组的曲线形式见图14。
图14 大车运行工况中的水平动载荷理论曲线 3. 2大车运行工况的仿真分析
在仿真起始时首先做静平衡分析。对大车和大车轨道之间施加移动副,对该移动副赋予加速度函数。根据电机选型后的起制动时间验算,得到启动过程为3. 6 s,制动过程为4. 3 s。
由大车运行的变形云图和应力云图可知大车运行过程中门架的最大应力为129. 35MPa。 门架的竖直方向的变形曲线见图15,图中实线表示前主梁的竖直方向变形,虚线表示后主梁
的竖直方向的变形。 图15 大车运行的竖直方向变形曲线 门架水平方向的变形曲线见图16,由图可知前后主梁的水平方向变形一致。 图16 大车运行的水平方向变形曲线 大车运行工况的最大应力曲线见图17,图中实线表示前主梁的最大应力曲线,虚线表示后主
梁的最大应力曲线。 图17 大车运行的最大应力曲线 结论 通过对门式起重机的起升工况和大车运行工况进行动力学仿真,得到了整机的动位移、动应力以及各连接件之间的作用力等,较真实地反映了门式起重机的动态特性。通过对比,小车运行工况的水平动载荷仿真曲线和理论曲线基本相似,表明运用虚拟样机方法模拟门式起重机的实际操作是可行的。根据仿真获得的各构件及各连接副的实时位移、速度、加速度和应力状况,可对起重机的动态性能进行评价和改进。同时该方法还可以对门式起闭机进行虚拟实验,解决现场因砝码问题无法实验的问题。
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