基于Recurdyn的回轉起重機仿真研究

洪斯瑋　陳亮　朱鈺

摘 要：回轉起重機在工作的過程中，由于離心力和慣性力的作用，會導致吊物擺動。吊物的擺動會對起重機產生沖擊載荷，影響起重機的工作效率和安全性能。該文采用Recurdyn及Recurdyn/Belt模塊建立集剛柔于一體的回轉起重機動力學仿真模型。通過對模型的仿真研究得出回轉起重機的回轉機構運動對吊物的擺動影響最大。

關鍵詞：回轉起重機 Recurdyn 剛柔耦合

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（c）-0044-03

Abstract： In the process of working， the revolving crane can lead to swing of suspended matter due to the action of centrifugal force and inertia force. The swinging of the suspended matter will have impact load on the crane， which will affect the working efficiency and safety performance of the crane. This paper adopts rotary crane dynamics simulation model of Recurdyn and Recurdyn/Belt to build the rigid flexible set in one of the. Through the simulation of the model， it is concluded that the swing mechanism of the rotary crane is the biggest influence on the swing of the swing.

Key Words： Revolving crane； Recurdyn； Rigid flexible coupling

回轉式起重機如汽車起重機，港口的門座式起重機等在作業的過程中吊物會繞吊臂頂點擺動，吊物的擺動會影響起重機的工作效率及安全性能。所以研究回轉起重機的機構運動及吊物擺動的關系并對吊物的擺動進行抑制，對起重機行業的發展具有重要意義。該文以某回轉式起重機為對象，采用Recurdyn仿真軟件平臺建立集剛柔于一體的回轉起重機動力學仿真模型，并在此基礎上對回轉起重機吊物的擺動進行研究。

1 回轉起重機動力學模型

隨著計算機技術和自然科學技術的高速發展，計算機輔助工程技術（CAE）也隨之誕生。計算機輔助工程技術所包含的面很廣，不同的學科與計算機技術相結合則產生不同的分支，其中計算機技術與力學理論的結合導致了虛擬仿真技術的誕生，Recurdyn多體動力學仿真平臺就在其背景下應運而生[1-2]。由于Recurdyn求解器所提供的遞歸算法能夠快速穩定地求解運動中的接觸、大變形柔性體等問題，并且Recurdyn的Belt子模塊能夠快速方便地在剛體模型基礎上建立柔性體，所以該文采用Recurdyn建立集剛柔于一體的回轉起重機動力學仿真模型。

1.1 回轉起重機剛體動力學模型

回轉式起重機主要由回轉機構、變幅機構、起升機構3部分組成。該文采用Pro/E三維設計軟件中建立回轉起重機的三維裝配模型，生成Parasolid格式文件后導入Recurdyn軟件中，定義各個構件的材料、顏色、構件與構件之間的運動關系等屬性?；剞D起重機的剛體模型部分如圖1所示。

1.2 鋼絲繩滑輪系統

回轉起重機的鋼絲繩是柔性體，通常采用剛體動力學仿真軟件對柔性體建模往往需要與有限元軟件進行聯合仿真或者采用軸套力連接小圓柱段的方式來模擬[3]。前者由于需要兩種軟件之間進行數據交互，操作復雜，仿真速度慢；后者由于需要建立大量的小圓柱段、軸套力，且要計算大量的小圓柱段與滑輪之間的接觸力所以操作復雜，仿真速度也很慢。

然而隨著虛擬仿真技術的持續發展和改進，Recurdyn公司開發了Belt子模塊。該模塊主要用于建立帶傳動系統及相關的柔性傳動系統。Belt模塊中的Beam Belt功能采用的是離散節點法來建立柔性繩索的模型，該方法是將繩索等效為大范圍運動的平面梁，將平面梁離散為一系列編號為0、1、2…、n-1的n個節點，通過相對節點間的坐標系得到一系列節點的位移方程，進而利用能量變分原理得到結構的運動方程[4-5]。該文利用Recurdyn/Belt模塊中的Beam Belt功能定義柔性體的形狀和材料屬性來建立起重機的鋼絲繩；利用Pulley功能建立起重機的滑輪。

根據《起重機設計手冊》可知雙繞鋼絲繩的彈性模量Er與鋼的彈性模量的關系，泊松比為0.25[6]。對于鋼絲繩與滑輪之間的接觸力可由表1確定[7]。

μ1為靜摩擦系數；μ2為動摩擦系數；ν1為靜滑動速度，單位：mm·s-1；ν2為動滑動速度，單位：mm·s-1。

最終所建立的剛柔耦合回轉起重機動力學模型如圖2所示，其中吊物重量為1 t。

2 仿真結果及分析

該文在只有變幅運動、只有起升運動和只有回轉運動的3種情況下對模型進行仿真，通過觀察仿真結果，得出哪個機構的運動對吊物的擺動影響最大。為了便于觀察研究，該文將吊物垂直于吊臂與回轉中心線形成的面的擺動角，稱為面外角；將吊物平行于吊臂與回轉中心線形成的面的擺動角，稱為面內角。

首先，在回轉機構和起升機構都不運動只有變幅運動的情況下進行仿真。變幅油缸的運動曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出變幅機構的運動對吊物的擺動影響不大。

在回轉機構和變幅機構都不運動只有起升機構運動的情況下進行仿真。

從圖4中可看出，起升運動對回轉起重機吊物的擺動影響也不大。

在起升機構和變幅機構都不運動只有回轉機構運動的情況下進行仿真。

從圖5中可看出回轉運動是引起回轉起重機吊物擺動的主要原因。這是由于回轉機構在運動的過程中由于慣性力和離心力的作用使吊物產生擺動。

3 結語

應用Recurdyn及Recurdyn/Belt模塊建立回轉起重機的剛柔耦合模型，并分別在單獨變幅機構運動、單獨起升機構運動和單獨回轉機構運動的3種情況下對模型進行仿真。通過仿真結果可知，回轉運動是引起吊物擺動的主要原因。所以要抑制回轉起重機吊物的擺動，只需控制回轉機構的運動即可。

參考文獻

[1] 范成建，熊光明，周明飛.MSC.ADAMS應用與提高[M].北京： 機械工業出版社，2006.

[2] 焦曉娟，張湝渭，彭斌彬.RecurDyn多體系統優化仿真技術[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3] 袁志剛，臧鐵鋼.基于Adams平臺的鋼索系列物體建模環境的研究[J].機械工程師，2007（10）：82-84.

[4] 方子帆，吳建華，何孔德，等.鋼絲繩碰撞動力學模型[J].工程力學，2009（10）：197-202.

[5] 魯亞飛.精密柔索傳動機理與設計方法研究[D].湖南：國防科學技術大學，2013.

[6] 張質文.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[7] 張歡，徐長生.基于虛擬樣機的大型船用甲板起重機[D].武漢理工大學，2011.