造船門式起重機大車碰撞端部止擋仿真分析

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

造船門式起重機(以下簡稱門機)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］，其中大車碰撞端部止擋是引發事故的一種典型危險工況。由于天氣、防風裝置失效等原因，門機與端部止擋發生碰撞，可能導致整機傾覆，造成生命財產損失。目前，國內關于門機碰撞的研究主要處于事故防范措施和理論分析階段。文獻［2］只從理論的角度探討分析了門機碰撞狀態的確定、碰撞后吊具的運動，尚未對碰撞過程做詳細分析。本文利用虛擬現實技術對門機大車碰撞端部止擋進行了仿真模擬，對比分析了碰撞過程中大車速度、車輪接觸力、碰撞力的變化情況，為造船門式起重機碰撞安全技術的研究提供數據支撐。

1 碰撞理論

如圖1所示的碰撞模型中，當I和J距離下降至名義自由長度(q0)，即2個物體開始碰撞。碰撞力由2部分組成，彈性(或剛性)力和阻尼(或粘性)力。剛性力與k成正比，是關于I點與J點在自由長度范圍內穿透量的函數，且與穿透量成反比。阻尼力是關于穿透速度的函數，方向與相對運動方向相反。接觸力碰撞力大小與剛度系數k，變形量q0—q，碰撞指數e，阻尼系數C和阻尼完全作用時變形距離d有關［3-4］。

圖1 碰撞力模型

2 門機虛擬樣機模型的建立

根據門機大車碰撞端部止擋的運行特點，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。

圖2 門機虛擬樣機模型

3 工況描述

根據門機大車碰撞端部止擋實際運行情況，設計了表1所示的試驗工況。

表1 大車碰撞端部止擋試驗工況

4 仿真分析

4.1 工況一

1)大車速度

大車從靜止作勻加速運動，加速度為0.42 m/s2，約4 s后到達額定速度30 m/min(0.5 m/s)，并保持此速度作勻速直線運動，直至與端部止擋發生碰撞，得到的大車運行速度曲線如圖3所示，由圖得到，大車從靜止開始運動到碰撞擋塊的時間約為4.8 s。

圖3 大車速度曲線

2)碰撞力

大車與端部止擋的碰撞力曲線如圖4所示，由圖得到，大車緩沖器和端部止檔發生碰撞時，大車迅速反彈后退，碰撞瞬間產生巨大的碰撞力，之后再碰撞反彈，緩沖器與止擋塊間的碰撞力約為3.5×106N。

圖4 大車碰撞力曲線

3)大車輪接觸力

柔性支腿后端大車輪接觸力曲線如圖5所示，由圖得到，當門機未與端部止擋發生碰撞時，后端大車輪的接觸力比較穩定，基本在9.0×105N上下波動。當大車緩沖器與端部止擋發生碰撞時(約4.8 s時)，由于慣性的作用，大車后端車輪有抬起的趨勢，接觸力暫時降為0，之后又重新落回軌道，與軌道產生一個較大的接觸碰撞力，約為3.5×106N。

圖5 后端大車輪接觸力曲線

通過以上數據分析，表明在此工況下，后端車輪有抬起的趨勢，門機瞬間產生不穩定的狀態，可以采取相應的防范措施，提高緩沖器的性能，減小碰撞的剛度，避免門機碰撞時發生重大事故。

4.2 工況二

1)大車速度

大車的速度曲線如圖6所示，由圖得到，雖然驅動輪上施加的驅動與工況一的相同，但由于門機運行時受到了同向臺風的作用，因此大車運行的速度大于圖3的速度，大車從靜止開始加速碰撞端部止擋只用了1.7 s，碰撞時的速度1.7 m/s，相較于工況一中大車從靜止到碰撞端部止擋用時4.8 s，碰撞速度 0.5 m/s，額定速度 0.5 m/s，說明在臺風作用下，門機發生打滑。

圖6 大車速度曲線

2)碰撞力

大車緩沖器和端部止擋間的碰撞力曲線如圖7所示，由圖得到，在臺風作用下，大車緩沖器和端部止擋發生連續多次碰撞，碰撞力達到6.5×106N(工況一中碰撞力約為3.5×106N)。

圖7 大車碰撞力曲線

3)大車輪接觸力

由圖8得到，當大車以較大的速度(1.7 m/s)與端部止擋發生碰撞時，大車后端車輪抬起，抬起時間約1.5 s，之后又落回軌道，與軌道產生一個較大的接觸碰撞力，約為6.5×106N。

圖8 后端大車輪接觸力曲線

通過以上數據分析，說明在臺風狀態下門機進行吊裝作業是及其危險的，可能導致整機傾翻。

4.3 工況三

1)大車速度

在臺風作用下，由于防風抗滑裝置的失效，大車輪能任意轉動，大車的速度曲線如圖9所示，由圖得到，大車從靜止作加速運動，碰撞端部止擋僅用了1.2 s，碰撞時速度達到2.4 m/s，相較于工況二中對應的值(大車碰撞擋塊用時約1.7 s，碰撞時的速度約1.7 m/s)，大車運行速度比工況二中的更大，碰撞用時更短，門機大車輪與軌道間不再打滑，而是產生了滾動摩擦。

圖9 大車速度曲線

2)碰撞力

由圖10得到，門機在臺風的作用下以很大的速度碰撞端部止擋，碰撞力達到1.2×107N，相當于工況二中碰撞力的1.8倍。

圖10 大車碰撞力曲線

3)大車輪接觸力

由圖11得到，當大車以很大的速度(2.4 m/s)與端部止擋發生碰撞時，大車后端車輪抬起，車輪與軌道接觸力始終為0，門機發生縱向傾覆。

圖11 后端大車輪接觸力曲線

通過以上數據分析，說明在臺風狀態下防風抗滑裝置的失效或未啟用，門機會在臺風的作用下加速前進，與端部止擋發生碰撞，導致整機傾覆，后果嚴重，應避免此類情況的發生。

5 結論

采用Pro/E和ADAMS聯合建模法建立了某工廠300 t/43 m門機的虛擬樣機模型，利用虛擬現實技術對門機大車碰撞端部止擋工況進行了模擬仿真，對比分析了碰撞過程中大車速度、碰撞力、車輪接觸力的變化情況，為門機碰撞安全技術的研究提供參考。

［1］陳永玉.門式起重機常見事故規律分析與對策研究［J］.中國安全生產科學技術，2011，7(5):163-166.

［2］梁承姬，孫勛武.岸邊集裝箱橋式起重機仿真訓練器吊具碰撞分析［J］.起重運輸機械，2006(10):28-31.

［3］張守謙.門式起重機虛擬樣機參數化建模與仿真［D］.上海:華東理工大學，2009.

［4］李昌，韓興，孫志禮.基于Pro/E和ADAMS的齒輪嚙合精確動力仿真［J］.機械與電子，2008(1):55-58.