橋式起重機大車運行機構動態仿真分析

杜海鵬 丁瑞敏

（河南省大方重型機器有限公司，河南 新鄉 453400）

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橋式起重機大車運行機構動態仿真分析

杜海鵬 丁瑞敏

（河南省大方重型機器有限公司，河南 新鄉 453400）

摘 要：本文以橋式起重機作為研究對象，并應用ADAMS技術對運動過程進行仿真模擬，其結果既驗證了大車運行過程中的動載計算方程，同時也再現其真實的運動情況。此外，使用SolidWorks等大型三維軟件及VC++6.0等高級語言程序對其進行建模、編程和模塊劃分，實現了橋式起重機的參數化設計。

關鍵詞：橋式起重機；動態仿真；動載；參數化

0. 引言

橋式起重機是目前工程機械領域里的一個重要類型，在各大行業中均有一席之地。其機構使載重小車或起重機做水平運動，以此完成搬運工作。運用機械創新設計理念和現代機械設計方法，通過三維軟件的特征建模和參數化技術對其運行機構同系列產品間存在的相似功能或結構進行二次開發，完成橋式起重機運動模擬，從此實現產品的高效快速發展。橋式起重機的快速二次開發已成為新世紀發展的迫切需求。

1. 橋式起重機運行機構模塊劃分及系統設計構想

1.1 傳動方案分析與模塊劃分

橋式起重機的運作機構由兩個運行機構組成，他們分別是傳動裝置和支承裝置，包括大車運行機構和小車運行機構。按照模塊化的設計思路對其模塊劃分，其中起重機運行機構分為單主梁小車運行機構、雙梁小車運行機構、分別驅動大車運行機構和集中驅動大車運行機構，而這四大機構又共同構成運行驅動裝置和運行支承裝置。連軸器、減速器、制動器、電動機等其他零部件主要應用了運行驅動裝置，而軌道和車輪組等均衡類裝置大部分則涵蓋了運行支承裝置。

小車采用單主梁布置，其運行機構可根據支承的形式分為3個支點（水平反滾輪式）和二支點（垂直翻滾輪式）兩種。大車運作機構的傳動方案分為兩類：集中傳動以及分別傳動。而通過低速集中傳動的方式來布置、運行更適合小跨度的運作機構。而在橋式起重機的重用跨度（10.5m～32m）范圍內，以分別傳動方式為主的布置形式足矣。對于雙梁小車，集中驅動往往更合適。由于減速器的布置形式，其傳動方案有兩種，第一種是把減速器裝在兩車輪之間，第二種則將減速器安裝于小車旁邊，兩種方案皆可對應其布置形式。

1.2 運行機構參數化設計思路

參數化設計的基本準則是首先定下傳動方案，隨后根據初始設計參數進行分析和計算校準，最后再對零部件的選型做抉擇。這樣做的原因是運行機構傳動方案有多種布置形式，并且每一種形式都有著不同型號與規格的同系列零部件。對系列零部件在機構中的運行展開參數化設計，本文是以雙梁橋式起重機小車在機構中的一種布置形式為典例，由自下而上的設計思路可知，建立三維模型庫，而裝配體模型則通過添加配合關系來構造。

MFC和ATL模板是Visual C++6.0實現COM編程的兩種方式。為便于在SolidWorks環境下的使用，本文堅持以基于ATL模板的COM編程來做DLL文件的插件。

2. 運行機構系列零件模型庫

軟件SolidWorks是一種高端參數化設計軟件，它的重要特征尺寸驅動能在本次建模中發揮重要作用。有3種途徑能在環境下實現通用件、標準件等系列零件的參數化設計，他們分別是：

（1）SolidWorks提供的API接口函數編程。先由程序語言完成特征創建，使用VC++、VB等編程工具建立三維模型，進而成功完成零件的參數化設計。靈活性與通用性是這種方法的優點，但編程工作量過于繁雜讓許多人都旋轉放棄這種方法。

（2）SolidWorks“系列零件設計表”。在插入“系列零件設計表”之前，首先建立零件模型，隨后將模型中應用的特征尺寸等參數引入Excel表格中，完成系列零件設計表之后便可生成系列零件。

（3）新參數模型——添加“配置”。步驟：①添加“配置”，確定項目名稱；②實事求是，修改模型，創造出多種風格的設計作品。通過更改各類屬性（如模型尺寸）以達到在單一的文件里產生出多個零件和裝配體的設計。該方法操作簡單，形狀或結構較為復雜的產品可以通過該方法建立系列模型。

在此說明，模型庫的建立主要采用配置的方式完成，是根據運行機構中零部件規格型號和形狀外觀所決定的，換句話說，這樣的方法是針對同系列零部件提供不同的產品配置。

3. 橋式起重機大車運行機構運動模擬與仿真試驗

3.1 方案確定

確立主要性能參數和起重機類型是進行橋式起重機運動模擬的關鍵。在此，舉例：電動雙梁橋式起重機。測量并確定跨度S、起升高度H、定起重量G、小車運行速度V1、大車運行速度V2、起升速度V3和起重機工作級別，之后進行起重機的零部件選用和設計。得到計算結果后，通過Solidworks對主要零部件進行裝配及三維造型，并建立虛擬樣機。隨后，再用COSMOSMation對運動軌跡追蹤進行運動干涉分析，主要分析運行機構中零部件的力矩、作用力與反作用力、速度、加速度等，從而達到分析裝配體模型進行動力學和運動學的目的，并用表格、圖形、動畫等形式表示小車運行機構、大車運行機構及起升機構的運動模型。輸出結果出來后，根據結果分析，調整修改零部件的結果材料和參數，修改之后再次反饋到原裝配模型中，再次重新進行分析結果，反復步驟直至到達滿意理想的設計成果為止。

3.2 建立三維模型

橋式起重機用于運動模擬的三維模型分為兩大板塊：零部件模型以及虛擬樣機。

（1）虛擬樣機

建立簡單易懂框架并快速設計三維模型，同時模擬仿真小車和大車的運行情況，必要時添加適當的約束條件，偵查干涉情況，然后據實情進行真實裝配，以確保運動模擬方案的可行性。這就是虛擬樣機的作用，以下介紹虛擬樣機裝配的順序及方法：

①首先將大車一端梁為基礎部件，按順序插入兩個主梁及“三合一”驅動裝置和右端梁，再以時間裝配關系為依照，裝配時添加合適的約束條件進行裝配，這樣能新建立裝配體構造，建立成大車橋架及其運行機構。

②隨后將小車架作為基礎零件，根基實際需求和裝配關系建立小車的裝配體模型。

③最后再以大車車架為基礎零件，大車車輪、小車架和小車車輪一次插入其中，同樣，根據實際的需求和裝配關系添加合適的約束條件，完成虛擬樣機的建立。

（2）零部件模型

零部件的構造、組成及裝配關系是零部件模型的分析三大曲。零部件選型完成后，遵循“自下而上”的設計思路添加配合各項零部件，形成三維模型式的裝配體。根據在特征化三維模型的基礎上建立的基本思想，適當簡化零部件模型，規劃零部件特征，然后忽略輔特征和次要特征，將主要特征完整反映出來。

端梁連接主梁共同構成橋架，在測定端梁和主梁的截面及尺寸后，分別建模并對其進行裝配，之后再安裝起重小車的軌道。降低計算程度的復雜性，簡化模型的建立，使得結構更為緊湊。小車由主動車輪和浮動軸連接，運行機構采用集中驅動裝置。與此同時，大車減速器直接則直接套裝于主動輪軸之上，其運行機構使用“三合一”驅動裝置。起重小車的聯軸器、電動機、減速器及車架等部件以簡易模型為宜。

3. 動態模擬

本文此次運動模擬是在COSMOSMotion的虛擬運動環境中進行。

添加適當的約束條件，使得小車與小車軌道、大車與大車軌道為平副面。隨后，將大車的軌道屬性設為靜止，而其他部件的屬性均設為運動部件。在其智能運動構建器中設置時間單位為s，力的單位為N，重力加速度為9.8N/s2，將動畫時間設置為20s，動畫幀數取默認值。

對小車和小車軌道、大車和大車軌道這兩個運動的速度和加速度進行賦值，再進行運動仿真模擬，在此同時，于COSMOSMotionsde中輸出的結果，即可完成AVI的制作。

結語

（1）以SolidWorks的三維參數化設計系統為基礎，對于運行機構中的一種布置形式而言，將開發平臺設為VC++6.0 的ATL模板，進行編程，系統能根據使用者輸入不同的參數數據，智能化建立起重機運行機構的三維模型。將軟件技術融入起重機的模型建立中，不僅能將設計效率提高翻倍，還能使設計時間即時間周期明顯縮短。

（2）仿真模擬真實運動情況，檢查運動干涉情況，可應用運動模擬軟件對各種情況運動模擬，橋式起重機的裝配樣機和零部件模型可用三維軟件來建立。通過這樣的仿真模擬活動的運動零部件的各項性能參數數據，可在原有基礎之上進一步完善和修改設計方案和參數，以此到達產品的設計質量和水平提高的目的。

（3）根據現有系統的二次改造需要參考其本身的功能性質和發展特征等具體情況，不同情況采用不同方案分析，開發的基本原則為簡單、智能、現代化及高效。不斷求變才能達到理想效果。

參考文獻

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［5］龔道雄.基于SolidWorks的橋式起重機參數化設計［D］.武漢理工大學，2009.

中圖分類號：TP27

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