固定式港口起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉艷，陳驍，周城華

(南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 泰州 225300)

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固定式港口起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉艷，陳驍，周城華

(南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 泰州 225300)

摘要：針對(duì)固定式港口起重機(jī)吊裝設(shè)備在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，求出滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)解，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助吊裝機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為工程中實(shí)際吊裝機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；吊裝機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著吊裝行業(yè)的不斷發(fā)展，固定式港口起重機(jī)向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，對(duì)設(shè)計(jì)的方法和手段提出了更高的要求[1,2]。對(duì)于固定式起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，長期以來人們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)一直沿襲采用傳統(tǒng)的圖解設(shè)計(jì)方法，由于圖解法所列方程式高度非線性的，想從中解出待定系數(shù)具有很大的困難，從而制約了設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率的提高。更為重要的是，由于圖解法難以把機(jī)構(gòu)綜合與優(yōu)化設(shè)計(jì)很好的結(jié)合起來，從而也制約了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高[3,4]。ADAMS軟件是一種造型和分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉個(gè)朗日方程方法，簡(jiǎn)歷系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線等[5,6]。本文利用ADAMS軟件對(duì)固定式港口起重機(jī)吊裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了比較理想的優(yōu)化目標(biāo)。

1吊裝機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及數(shù)學(xué)模型

1.1　工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

起重機(jī)吊裝設(shè)備工作機(jī)構(gòu)采用四連桿組合臂架機(jī)構(gòu)或單臂架式機(jī)構(gòu)，本文選用四連桿組合臂架機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)研究的對(duì)象。該機(jī)構(gòu)與單臂架式機(jī)構(gòu)相比最大優(yōu)點(diǎn)是臂架下的空間較大,因此當(dāng)起重機(jī)的起升高度一定的情況下，起重機(jī)的總體尺寸較小。同時(shí)貨物懸掛長度也相對(duì)減小，擺動(dòng)現(xiàn)象較輕[7,8]。吊裝機(jī)構(gòu)臂架運(yùn)動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖和剛性拉桿運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1、圖2所示。

圖1　臂架運(yùn)動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2　剛性拉桿計(jì)算簡(jiǎn)圖

起重機(jī)的基本設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　基本參數(shù)表

通過已知參數(shù)初步求得機(jī)架長度=10.13m，臂架長度=19.91m，象鼻架長度(連桿長度)=4.3m，象鼻架長度(前端長度)=9.82m，剛性拉桿(后搖桿)=17.48m，臂架為驅(qū)動(dòng)件。

1.2　吊裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

卷繞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要包括鋼絲繩、卷筒以及滑輪組等部件。

鋼絲繩的最大靜拉力如下：

(1)

卷筒與滑輪的最低限度直徑如下：

D≥ed

(2)

式中，S為每根鋼絲繩能承受的最大靜載荷拉力；Q為所起升的貨物和吊裝機(jī)構(gòu)的質(zhì)量；m為滑輪組倍率數(shù)；n為繞上卷筒鋼絲繩的根數(shù)；ηb為滑輪組效率；η1η2為導(dǎo)向滑輪的效率。

變幅驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)克服的總阻力如下：

U=UO+Ub+Uw+UH+Uc+Ui+Uf

(3)

式中，U0為由于重物和吊裝機(jī)構(gòu)并非沿直線行走以及起升拉力引起的變幅阻力；Ub為由于臂架系統(tǒng)自身不能完全達(dá)到平衡狀態(tài)而引起的變幅阻力；Uw為由于在正常工作狀態(tài)下，風(fēng)載荷引起的變幅阻力；UH為由于重物在風(fēng)的作用下擺動(dòng)引起的載荷所造成的變幅阻力；Uc為由于臂架系統(tǒng)在繞旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力引起的變幅阻力；Ui為由于變幅過程中臂架系統(tǒng)在徑向產(chǎn)生的慣性力而引起的變幅阻力；Uf為由于各個(gè)機(jī)構(gòu)、零件之間的摩擦阻力引起的變幅阻力[9]。

象鼻梁的基本機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，其相關(guān)的計(jì)算如下：

圖3　象鼻梁的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

切口處相對(duì)變位為零可得到力法方程：

δ11X1+Δ1P=0

(4)

當(dāng)F1=F2=F3=F時(shí)，

計(jì)算結(jié)果如表2所示，

表2　基本參數(shù)表

2運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)修正某個(gè)設(shè)計(jì)變量初值，在ADAMS中建立吊裝機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行約束，如圖4所示。桿1與桿2為鉸連接，桿4與大地為鉸連接，桿2與桿3為轉(zhuǎn)動(dòng)副，桿3與桿4為轉(zhuǎn)動(dòng)副。

圖4　四連桿機(jī)構(gòu)模型

本文主要對(duì)象鼻梁前端的位置、速度、加速度進(jìn)行測(cè)量分析，其結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　鼻梁前端x方向的位置變化曲線

圖6　鼻梁前端y方向的位置變化曲線

根據(jù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)分析，在x方向上最小極限位置距離為5.49m，滿足設(shè)計(jì)最小極限位置5.5m。

由圖7可知象鼻梁前端x方向的移動(dòng)速度在最大極限處時(shí)為最小，然后開始逐漸增大，最小極限處時(shí)有最大值0.2149m/s。本次設(shè)計(jì)要求最大行走速度不超過18m/min即0.3m/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7　象鼻梁前端x方向的速度變化曲線

由圖8可知象鼻梁前端x方向的加速度在最大極限處最小，在最小極限處達(dá)到最大，最大值為0.002981m/s2。

圖8　象鼻梁前端x方向的加速度變化曲線

3結(jié)語

1)利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS將四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能分析及參數(shù)優(yōu)化集成起來，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)

品的虛擬設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中，不僅可以檢驗(yàn)各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，而且可以檢測(cè)各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中的干涉情況。

2)在對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)歷約束條件并進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)所提出的要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)。

3)對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的仿真分析表明，虛擬樣機(jī)技術(shù)能有效地模擬實(shí)現(xiàn)環(huán)境，其結(jié)果形象直觀，仿真效果良好。在此基礎(chǔ)上制造出的樣機(jī)，證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性，滿足設(shè)計(jì)要求，減少物理樣機(jī)的試驗(yàn)次數(shù)，大大減少了開發(fā)費(fèi)用及成本，為固定式港口吊裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的路徑。

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Optimization Design for Fixed Type Port Crane Hoisting Equipment Based on ADAMS

LIU Yan, CHEN Xiao, ZHOU Cheng-hua

(Nanjing University of Science and Technology, Taizhou Science and Technology Institute, Taizhou 225300, China)

Abstract:In view of the design key point and difficulty of the fixed type port crane hoisting equipment. its mechanism is optimized by using ADAMS software, in order to obtain its optimum design, shorten the design cycle and improve the design efficiency, and then to realize its optimization design with the and of computer. The valuable reference is given to the practical hoisting mechanism optimization design in engineering.

Keywords:crane; hoisting mechanism; optimization design

收稿日期：2014-11-05

中圖分類號(hào)：TH218

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0039-03

作者簡(jiǎn)介：劉艷(1981-)，女，江蘇鹽城人，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及教學(xué)。