起重機設計虛擬仿真技術研究

楊書強

（柳州市特種設備檢驗所，廣西 柳州 545006）

起重機設計虛擬仿真技術研究

楊書強

（柳州市特種設備檢驗所，廣西 柳州 545006）

隨著城市工程建設的進程逐漸加深，起重機是工業生產和日常生活中常見的運輸設備，起重機在一定程度上實現了生產過程的機械化和自動化。但隨著科技的發展及工業生產的需求，對起重機械的要求越來越高，傳統的靜態設計已經難以滿足使用要求。本文介紹了傳統的起重機設計技術方法和虛擬仿真技術方法，在ADAMS平臺上對起重機進行虛擬仿真分析和研究。

起重機械；虛擬仿真；優化設計

起重機械是工業生產以及生活中常見的運輸設備，大大提高了生產效率。起重機的主體結構是多種多樣的，由各種鋼構件連接而成，在鋼結構的不同功能部件之中有操作、驅動、控制等電氣結構。如果起重機的設計和安裝不科學、不合理，則在使用過程中會出現很多安全問題，如主梁折斷、鋼絲繩斷導致的吊物墜落、吊鉤破斷、觸電等。基于虛擬仿真的設計技術利用虛擬技術對起重機各個機構的動力學進行仿真及動態分析，得出其實際工況下的動態特性，在一定程度上優化了設計，為提高起重機質量提供了保障。

1 起重機設計技術現狀

我國起重機設計發展經歷了漫長的過程，從優秀的設計經驗中吸取了很多寶貴的經驗后，走向了自主研發和設計的道路，朝著大型化、高速化、專業化的方向邁進，降低了生產成本，提高了經濟效益，并且隨著計算機技術的發展，開始進入全數字化控制驅動、可編程控制、故障診斷和數據管理的技術領域。但是也存在一些問題，如核心部件的技術水平還欠缺，與國外先進技術相比，需要不斷提高設計水平，收集設備的故障，不斷積累經驗，改進技術，，同時提高制造水平，特別是在細節精益設計上，提高技術人員的素質，研發成熟的技術投入市場，實現先進技術和產品的更新換代。

2 起重機主要部件介紹

2.1 主梁

起重機主梁按照結構類型可分為箱型梁、桁架梁、型鋼梁。其中箱型梁又可分為正軌梁和偏軌梁等。桁架梁又分為角鋼和圓鋼兩種，如果細分還是可以的。型鋼梁就是工字鋼梁，一般用在葫蘆上。還有結合了以上類型的復合梁，比如箱型梁和工字鋼就可以組成一種主梁形式（箱型梁為一個倒置的屋面，工字鋼焊接在下面），這類門機在小型貨場或者露天工廠比較常見。

2.2 端梁

端梁部分在起重機中有著重要的作用，它是承載平移運輸的關鍵部件。由車輪組合端梁架組成，端梁部分主要有上蓋板，腹板和下蓋板組成；兩段通過連接板和角鋼用高強螺栓連接而成。在端梁的內部設有加強筋，以保證端梁架受載后的穩定性。端梁的主要尺寸是依據主梁的跨度，大車的輪距和小車的軌距來確定的；大車的運行采用分別傳動的方案。

2.3 橫梁

橫梁對整個起重機的工作效率和安全運行起著至關重要的作用，橫梁的跨距、形狀、額定起重能力、抗彎剛度、允許的撓度、材料密度、彈性模量、安全因數等因素都對起重機的運行有影響。

2.4 小車總成

小車專為重型加工工業而制造。電機、齒輪箱和控制單元均在內部設計和制造，確保卓越的吊重性能和長使用壽命。凸緣型電機配有集成的制動器，有助于正確校準機械裝置。

2.5 大車運行機構

液壓或橡膠大車行走緩沖器，保護起重機和建筑物。

2.6 司機室

司機室應按人機工程學原理進行設計，整體應堅固、美觀、安全、隔熱、防火、防塵、全封閉。司機室設置在主梁的下方，隨大車同步移動。

3 起重機虛擬仿真技術要點

仿真技術是基于計算機形成的虛擬技術，它是在計算機中生成一種模擬環境，在這個空間環境中，設計者可以進行自然交互，能夠人為的對虛擬世界中的物體進行更改和操作，并為操作者提供視、聽、觸等感官的反饋。起重機檢驗技術仿真研究就是以計算機技術為基礎，生成三維實體模型裝備，解決了設計者難以客服的抽象思維設計，一旦發現模型有問題，就能夠及時的對起重機的相關部件或設備進行修改，直觀地對三維實體進行重新布局，實現實時仿真，充分利用有限的空間，可以以部件替代全機，將可預見的問題解決在設計階段。在計算的虛擬仿真過程中，可以降低研發成本和生產成本，縮短開發周期并有效的提高研發質量。結合虛擬技術的特征可以總結出起重機設計的虛擬技術仿真技術要點。

（1）構想性。設計者能夠從綜合集成形成的仿真環境中定性或者定量的獲得理性認識和感性認識。

（2）真實性。設計者能夠作為仿真環境中的主角，并感受到模擬環境的真實性，以獲得更為直觀、真實的評價。

（3）交互性。仿真環境是由虛擬顯示軟件、輸入設備、輸出設備等形成的，形成的仿真環境如物理約束、建筑模型、電氣線路、部件碰撞檢測、動力學特征等。

4 起重機設計仿真模型建立

虛擬仿真技術（Virtual Prototype Technology）設計了計算機技術、軟件工程、多體系統動力學等多門學科，其設計的關鍵是CAD建模、電氣、機械等相關技術，其模型的建立主要是研究以下幾個方面。

（1）通用參數。在ADAMS環境下建立模型分析起重機的部件動力學特征，除了研究其幾何形狀外，還包括材料的質量、密度、泊松比、初始位置、初始速度和運動方向等。同時再添加各部件之間的約束關系。限制某些部件之間的相對運動，以形成一個穩定的機械系統。

（2）各種約束。ADAMS可以處理四種類型的約束：約束運動、接觸約束、制定約束方向和常見運動副約束。將起重機虛擬仿真樣機零部件約束匯總如下：①吊鉤和吊環之間的球形副連接；②吊臂通過滑輪和吊繩連接，吊臂和滑輪之間為球形副連接；③液壓桿與后吊臂和機身相連，采用鉸連接，使三者之間沒有轉角變化和相對位移；④支承墊板固定在地面上，采用固定副約束，與地面沒有相對移動；⑤機身和平衡重之間也采用固定副約束，沒有移動和相對位移。

（3）ADAMS力庫中提供了四種類型的力：接觸力、特殊力、連接力和作用力，在輸入力的信息時，需要說明力的類型和力的大小、方向、力矩、作用點等。

（4）風力作用。露天工作的起重機必須考慮其受到的外界因素，尤其是在風力較強的地方實施吊裝時，必須考慮風載的影響，用計算機進行模擬和計算時，應考慮風對起重機最不利方向的影響。

（5）施工作業。在起重機起吊過程中，一般吊物體都是由靜止變為勻加速上升，最后為勻速上升，仿真起吊運動演示中，為了保證仿真求解的穩定性，需要在模型中插入相關函數，以保證模型中的物體能夠切換不同類型的物理運動。

5 結語

聯合仿真可實現機電液各子系統的參數傳遞，比單個系統仿真更能反映物理系統運行狀態，本文對起重機進行仿真模塊的分析，利用專業軟件對起重機的設計進行動態模擬，研究可檢驗的控制方案，在計算上進行虛擬實驗，研究系統的可靠性，保證產品的研發成功率。起重機設計應用上，要求設計人員在具體的工作中應分類掌握起重機的類型、應用特征 ；要注重分析與總結設計時可能存在的一些問題，在技術規范的基礎上，系統的分析設計的實用性。在設計可行性控制中，對多樣化的設計模式進行應用，以便提升設計工作的有效性和科學性，使起重機生產與工作的安全隱患在設計階段就得到有效降低，確保起重機運行的安全性。

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