基于虛擬試驗的造船門式起重機事故再現仿真分析

馬峰，殷晨波，夏明睿

(南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

起重機械具有結構復雜、起重量大、工作環境惡劣等特點，在使用過程中極容易發生事故，并且發生事故的后果極為嚴重[1]。我國把它與電梯等都歸類于特種設備，需要專門的設備安全監督管理部門對其進行檢測和維護[2]，盡管如此，還是難以避免事故的發生。因此，對起重機械事故進行再現具有非常重要的現實意義。本文以300t/43mA型雙梁造船門式起重機(以下簡稱門機)為研究對象，基于虛擬試驗，采用Pro/E建立了門機的三維實體模型，對部件施加相應的約束和載荷，建立起虛擬樣機，進行了典型事故工況的動力學仿真，分析了事故過程中接觸力、碰撞力、鋼絲繩拉力的變化情況，幫助人們清晰的認識事故發生的過程，為造船門式起重機的安全評估技術研究提供技術支持。

1 事故再現理論和方法

設備事故再現是在事故發生后，由設備的最終位置開始，運用相關理論方法、實驗數據以及專家經驗建立的運動學和動力學模型往回推算，即事故后階段、事故階段、事故前階段，使整個事故過程的實際情況在時間和空間上得以重現。現在使用到的事故再現方法通常有兩種：1) 分析法，由事故后的狀態推斷事故前的狀態；2) 模擬法，通過假設事故前的一系列狀態，模擬在該假設條件下得到的事故結果，將該結果與實際結果做比較，將與實際結果最為接近的假設認定為事故發生前真實狀態[3-4]。實際使用時通常將兩者結合起來，取其各自的優勢來進行事故再現。一般來說，采用分析法中的模型建立方法，通過計算來推算事故初始時各機構的速度，再結合模擬法中對現場進行分析的部分，根據專家的經驗，對所得初始速度進行驗證，反復比較分析得出最終的結果[5]。將事故再現的模型與方法、理論與技術研究的各方面進行歸納綜合[6]，如圖1所示。

圖1 事故再現的理論與技術

2 門機虛擬樣機模型的建立

根據門機結構特點，采用整機建模和局部建模的方式，遵循結構簡化原則及結合部件特性參數的融合技術，利用Pro/E建立門機的三維幾何模型，并將模型導入ADAMS中，對部件施加相應的約束和載荷，建立起虛擬樣機模型，模型由主梁、剛性支腿、柔性支腿、小車、大車運行機構等組成，如圖2所示。

1-小車；2-主梁；3-剛性支腿；4-大車；5-柔性支腿圖2 門機虛擬樣機模型

3 事故虛擬試驗

3.1 事故工況描述

事故的種類有斷裂、下撓、失穩和整機傾覆等，表1歸納了5種典型的事故工況，根據門機的參數設計和相應具體的工況形式，對這5種事故工況進行分析。

表1 門機典型事故工況

3.2 事故工況仿真

3.2.1 工況1(風載試驗)

將大車剛性支腿端施加在車輪旋轉副的驅動設為0，模擬固定，大車輪與軌道施加接觸約束，其接觸力曲線如圖3所示。

圖3 大車輪接觸力曲線

由圖3得到，在臺風的作用下，柔性支腿端大車輪與軌道的接觸力降為0，柔性支腿端抬起，剛性支腿端大車輪與軌道的接觸力瞬間增大，門機逐漸向剛性支腿端橫向傾覆，最終柔性支腿、剛性支腿端大車輪與軌道的接觸力都為0，門機脫軌，整機發生橫向傾覆。因此必須安裝防風抗滑裝置，而且專門的設備安全監督管理部門對其定期進行檢測和維護。

3.2.2 工況2(單邊制動試驗)

利用IF函數在大車剛性支腿和柔性支腿端設置不同步的旋轉速度，大車輪與軌道施加接觸約束，其接觸力曲線如圖4所示。

圖4 大車輪接觸力曲線

由圖4得到，門機在0～10 s時平穩運行，在第10 s時柔性支腿、剛性支腿端不同步，兩端大車輪與軌道的接觸力都逐漸變為0，門機脫軌。

3.2.3 工況3(吊物突然卸載試驗)

吊物滿載150t,使用step函數設置吊物載荷繼續增大，電機驅動力矩也逐漸增大，鋼絲繩最終疲勞斷裂，利用仿真描述模擬吊物突然卸載。鋼絲繩拉力、小車輪接觸力、大車輪接觸力的變化情況如圖5～圖7所示。

1) 鋼絲繩拉力

圖5 鋼絲繩拉力曲線

由圖5得到，隨著吊物載荷的不斷增大，鋼絲繩的拉力不斷增大，最終斷裂，拉力變為0，重物墜落。仿真過程中，鋼絲繩上的拉力最大值達到1.76×106N，而在滿載平穩狀態下的拉力為1.47×106 N，由此得到該工況的動載系數約為1.76/1.47=1.2。鋼絲繩的動載系數可以為鋼絲繩的合理選用提供參考。

2) 小車輪接觸力

由圖6得到，隨著吊物載荷的不斷增大，小車輪接觸力不斷增大，最終鋼絲繩斷裂，小車突然卸去了吊物產生的接觸力，瞬間抬起，之后又落回軌道，并不斷來回振蕩。

圖6 小車輪接觸力曲線

3) 大車輪接觸力

由圖7得到，隨著吊物載荷的不斷增大，大車輪接觸力不斷增大，最終鋼絲繩斷裂，超載后突然卸載時，大車兩端車輪與軌道間發生連續的跳躍碰撞，產生很大的沖擊力，最終空載穩定的狀態下，前端大車輪的接觸力大于后端大車輪的接觸力，門機有可能縱向傾覆。

圖7 大車輪接觸力曲線

3.2.4 工況4(吊物自由跌落后緊急制動試驗)

利用step函數設置驅動力矩模擬吊物自由跌落后緊急制動，吊物在0～90s平穩起升，90～91s自由下落，91～91.2s緊急制動。鋼絲繩拉力、小車輪接觸力、大車輪接觸力的變化情況如圖8～圖10所示。

1) 鋼絲繩拉力

由圖8得到，緊急制動時，在極短的時間內使吊物產生一個極大的向上加速度，同時門機受到一個向下的巨大慣性力。鋼絲繩斷裂，拉力變為0，重物墜落。仿真過程中，在鋼絲繩上瞬間產生一個很大的拉力，最大值達到1.31×107 N，而在滿載平穩狀態下的拉力為1.47×106 N，由此得到該工況的動載系數約為13.1/1.47=8.91。

圖8 鋼絲繩拉力曲線

2) 小車輪接觸力

由圖9得到，鋼絲繩自由下落時，小車輪接觸力減小，緊急制動時，小車輪接觸力瞬間增大，鋼絲繩斷裂，小車突然卸去了吊物產生的接觸力，瞬間抬起，之后又落回軌道，并不斷來回振蕩，最終趨于一個穩定的值。

圖9 小車輪接觸力曲線

3) 大車輪接觸力

由圖10得到，緊急制動時，兩端大車車輪瞬間抬起，剛性支腿端大車車輪接觸力大于柔性支腿端大車車輪接觸力，門機有可能橫向傾覆，因此必須安裝安全保障系統。

圖10 大車輪接觸力曲線

4 結論

基于虛擬試驗，利用Proe和ADAMS聯合建模法建立了門機的虛擬樣機模型，根據不同的事故工況施加約束、載荷和驅動，進行了事故再現的動力學仿真，獲得了典型事故工況下門機的接觸力、碰撞力、鋼絲繩拉力的變化情況，使事故發生的過程和結果能在時間和空間上再現，可為門機的安全評估提供依據。

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