基于ADAMS 的有軌起重機參數化建模及仿真分析

江華*，喬榛，孫友剛，吳燁毅，韓燦，董達善

（1.上海振華重工（集團）股份有限公司，上海，200125；2.上海海事大學，上海，201306）

基于ADAMS 的有軌起重機參數化建模及仿真分析

江華1*，喬榛2，孫友剛2，吳燁毅1，韓燦2，董達善2

（1.上海振華重工（集團）股份有限公司，上海，200125；2.上海海事大學，上海，201306）

針對有軌起重機的工作特點和結構尺寸，基于二次開發的技術在 ADAMS中建立起重機大車結構的參數化模型，只需在設計界面輸入尺寸就可以快速建立模型。本文提出的建模方法在使用時無需更改變動約束副，而且達到快速建模的目的。在 ADAMS中創建一種計算軌道和車輪在轉彎過程中偏移量的方法，主要采用簡化模型、 ADAMS點線約束和移動副保證在轉彎過程中車輪和軌道始終相垂直。這種方法不但可以求出仿真過程中偏移量的大小，用來驗證有軌起重機是否在軌道上出現啃軌，而且對其他機械系統的二次開發和軌跡修正提供有益參考。

有軌起重機；參數化建模；偏移量；通過性驗證

引言

有軌起重機在工作時，需要從直線軌道運行到與之成某一角度的另一直線軌道。當起重機的一側車輪沿著轉彎軌道行走時，另一側的車輪相對軌道有一定的偏差量，當偏移量逐漸增大，最終出現車輪卡軌。針對車輪卡軌，顧樹澤[1]采用在直線軌道和圓弧軌道之間加入一段直線，作為過渡段。倪慶興[2]等人推導出曲線軌道的最小曲率半徑和在圓弧軌道上軌道的修正方法。夏選青[3]進一步提出通過游動手輪補償偏差量。本文提出一種采用ADAMS軟件計算車輪偏移軌道的方法，用來驗證軌道的通過性及對起重機轉彎過程進行動態仿真。

1 轉彎過程偏移量的理論計算

在進行轉彎過程中，起重機內側支座中心位于內側軌道上，當內側兩個支座同時到達曲線軌道時，起重機完全處在轉彎過程，外側的兩個支座對外側軌道有相同大小的偏移量，這時，以內側軌道上車輪定位時，求外側中心偏移外側軌道的最大尺寸。

討論當一個支座上僅有一臺可繞垂直軸線轉動的臺車時的情況，如圖1所示。

圖1 轉彎過程相互關系

在?O12中，由余弦定理知：

又因為 ∠ O13=90°+∠O12

在?O13中，由余弦定理：

所有可以求解起重機外側支座中心偏移外軌縱向軸線的最大尺寸：

其中 式中S是起重機的軌距，O1、cos∠O13由公式（1）和（2）求得。

針對四個支座由若干臺兩輪平衡臺車對稱布置組成，所有的平衡臺車、平衡梁均可繞垂直軸線自由轉動去的情況，車輪偏移軌道的計算公式為

式中：

R是指內側軌道純圓半徑，S是起重機軌距尺寸、B是軌道頂面寬度，B1是車輪踏面寬度，A是車輪與軌道的有效接觸長度，如下圖2所示。Kn是平衡梁的尺寸，n代表幾級平衡梁。

圖2 車輪與軌道的有效接觸長度

2 軟件仿真求解偏移量的思路：

在ADAMS中建立有軌起重機的和軌道的虛擬樣機模型[4.5]，讓起重機內側車輪嚴格約束到修正好的內側軌道，外側車輪和修正后的外側軌道采用軸套力約束，保證車輪自適應外側軌道，通過編寫函數計算外軌的輪軌偏差量，通過對比外側的偏差量和輪軌預留的間隙，判斷是否能通過。

2.1 有軌起重機結構簡化

根據ADAMS建模和仿真需要，對車輪進行適當簡化，內側車輪簡化為具有一定半徑的車輪球，車輪球的圓心為車輪的中心。根據車輪踏面和軌道頂面特點，把外側車輪簡化成有效矩形框的形式，外側車輪的簡化流程，如圖3所示。其中，車輪在軌道上的有效投影重復長度為A，輪緣和軌道邊緣的間隙稱為剩余輪軌間隙，用參數U表示。

圖3 軌道簡化流程

根據車輪踏面和軌道踏面尺寸，簡化的矩形框寬度為2倍的車輪踏面減去軌道踏面的差，由于把內側間隙值轉移到外側車輪上，矩形長度為2倍的車輪輪緣半徑與車輪踏面半徑平方差的開平方。

其中，D是指車輪踏面直徑，D1是指車輪輪緣外徑直徑，B1是指車輪踏面寬度，B是指軌道頂面寬度，?U是內外軌吃掉的間隙。

仿真時，把車輪球心約束到內側軌道，有效矩形車輪約束到外側軌道。只研究車輪和軌道之間的關系，把起重機下面部分對仿真沒有影響，直接簡化成框架形式，如圖4所示。

圖4 起重機簡化后的框架

岸邊集裝箱起重機是定制化設計，起重機設計尺寸根據用戶需要而定。為了方便使用，在ADAMS采用參數化建模[6]，這樣不必每次重新建立模型，只需在設定好的界面輸入尺寸，模型可以自動修改尺寸。參數化的模型使用戶方便修改模型而不用考慮模型內部之間的關聯變動，模型就可以自動更新，

2.2 坐標點建立

本文中主要使用參數化點坐標和設計變量兩種參數化建模方式。采用參數化點坐標和設計變量的方法構建模型，把上述簡化的有軌起重機大車模型進行建模，選定圖形中的中心后，把各個零件進行離散化形成作圖時需要的點的坐標和設計變量，把模型簡化好后，在ADAMS中建成需要的模型。以內側軌道靠近坐標原點為參考點，建立坐標點關系[7]。，如圖5和6所示，

圖5 八輪相關參數

圖6 設計變量

依次類推建立參數坐標點，進行相互關聯，如下圖7所示。

圖7 參數化坐標點

采用上述方法，創建的參數化模型如下圖8所示，以八輪為例。

圖8 簡化的八輪模型

2.3 用戶操作界面創建

通過二次開發和用戶化設計[8]，定制用戶菜單，設置用戶對話框。這樣便于用戶對模型的參數進行修改，通過定制的用戶對話框輸入相應的參數值，即可方便的更改設計變量的數值，實現模型自動更新。定制界面如下圖9所示。

設計方法：

（1）創建對話框

（2）創建文本框和標簽

圖9 參數修改界面

（3）創建控制命令語句

雙擊 My_DB對話框的背景，在在 dialog-box builder：modifying My_DB對話框中，選擇 attribute后下拉列表中的commands。

Variable set variable=DV_B real=$ field_1

Variable set variable=DV_L real=$ field_2

Variable set variable=DV_K1 real=$ field_3

Variable set variable=DV_K2 real=$ field_4

Variable set variable=DV_K3 real=$ field_5

Variable set variable=DV_n real=$ field_6

Variable set variable=DV_X1 real=$ field_7

Variable set variable=DV_Y1 real=$ field_8

Variable set variable=DV_H1 real=$ field_9

Variable set variable=DV_H2 real=$ field_10

Variable set variable=DV_H3 real=$ field_11

Variable set variable=DV_m real=$ field_12

（1）定制用戶菜單

在主菜單中，選擇Tool-menu-modify命令。在menu builder對話框的最后，添加如下命令

MENU1 &Mymenu

NAME=MYMENU

HELP=This is my menu

BUTTON2 &My_DB…

HELP=Open” My_DB” dialogbox

CMD=int dia disp dia= My_DB

3 軌道和車輪偏移計算方法和約束施加

3.1 軌道和車輪偏移計算方法

偏移量是指車輪邊緣沿著軌道法線方向到軌道的距離。建立一個輔助車輪，每個外側車輪對應一個輔助車輪，把輔助車輪約束到外側軌道上，車輪和軌道采用軸套力約束。簡化車輪框邊緣和輔助車輪采用移動副，方向沿著車輪框的局部y坐標方向，測量輔助車輪和對應車輪之間的距離。建好約束如下圖10所示。

考慮車輪向外偏或向內偏，測量距離的函數編寫：

其中 x1、x2分別為不同part中marker點。

圖10 ADAMS中車輪和軌道之間的約束

轉角的測量：通過測量平衡梁之間、平衡梁與車架之間的轉動副來測量平衡梁之間、平衡梁與車架之間的轉角。

4 仿真

把已知的軌道采用坐標點的形式，以spline曲線方式導入到ADAMS模型中，生成內外側軌道。 在下橫梁與與一級平衡梁、一級平衡梁與N-1級平衡梁、N-1級平衡梁與N級平衡梁、N級平衡梁與臺車之間、臺車與軌道之間施加約束。具體各個零件之間的約束施加方式如表1所示。

表1 零件之間的約束類型

針對現有的軌道方式，采用spline驅動從外界導入內側軌道坐標點的方式進行驅動。這樣可以保證模型內側車輪嚴格按照軌道行走。驅動加載在內側軌道上最前面的一個車輪上。給予一定的仿真時間和步長進行仿真，驗證軌道的通過性和進行結果分析。

5 結果與分析

仿真結束，進行仿真結果分析。如圖11所示，以八輪為例。從偏移量圖形中看出，起重機在修正后的軌道行走時，可以安全通過，不出現車輪卡軌。曲線圖中出現兩個凸點，分別為水平線0的兩側。偏移量曲線在0線上時，代表為正值，車輪相對軌道往內側偏移，反向則向外側偏移，最大偏離量為-11mm，車輪相對軌道向內側偏移。

圖11 不出現卡軌的偏移量曲線

車輪偏移量數據進行對比，如圖12和13所示。可以看出，車輪3011與車輪3022、車輪3012和車輪3021的偏移量曲線幾乎相同，依次類推，可以總結得出單支座下臺車上兩個車輪偏移量對稱相同。

圖12 3下面所有車輪偏移量曲線圖

圖13 3和4下面某密稱車輪偏移量曲線圖

各級轉角大小對比，總結得出：內側軌道對應位置轉角大于同級外側軌道轉角，同時，上一級轉角大于下一級轉角。同一角支座下左右轉角大小相同，方向相反。如圖14和15所示。

圖14 內外側軌道密應同一級平衡梁之間轉角密比

圖15 模型中所有平衡梁之間轉角密比

6 結束語

利用ADAMS建立起重機大車結構的參數化模型，可以根據需要快速建立和修改模型，使用戶方便修改模型而不用考慮模型內部之間的關聯變動，而且達到快速建模的目的。同時，在ADAMS中創建一種計算軌道和車輪在轉彎過程中偏移量計算的方式，可以求出仿真過程中偏移量的大小，用來驗證有軌起重是否可以在軌道上是否出現卡軌。ADAMS實現有針對性地開發建立岸橋起重機大車軌道模型的專業模塊，使建模方便，同時也可以利用這些模型進行動態仿真工作，極大地縮短了產品開發周期。

[1]顧樹澤. 水電站門式起重機運行機構的拐彎設計[J]. 起重運輸機械,1977,(06)： 33-38.

[2]倪慶興. 有軌運行式起重機的轉彎問題[J]. 起重運輸機械,1980,(03)： 68-78.

[3]夏選青. 起重機在曲線軌道上運行的分析與計算[J]. 重工與起重技術,2015,(02)： 1-3.

[4]肖建軍. 基于虛擬樣機的門式起重機動力學仿真研究[D]. 西南交通大學,2008.

[5]張旭. 基于虛擬樣機技術的鑄造起重機動力學仿真研究[D]. 北京工業大學,2016.

[6]饒劍. 基于ADAMS的懸架系統動力學仿真分析與優化設計[D]. 武漢理工大學,2005.

[7]汪惠群,鄭建榮. 在 ADAMS軟件中虛擬樣機的參數化建模與分析[J]. 機械制造,2004,(10)： 41-43.

[8]薛運鋒,石明全. 基于 ADAMS的列車系統參數化建模的二次開發研究[J]. 鐵道機車車輛,2006,(03)： 30-33.

The Parametric Modeling and Simulation Analysis of the Crane Based on ADAMS

JIANG Hua1*,QIAO Zhen2,SUN Yougang2,WU Yeyi1,HAN Can2,DONG Dashan2
(1. Shanghai zhenhua heavy industry (group) co. LTD,Shanghai,200125,China; 2. Shanghai maritime university,Shanghai,201306,China)

According to the work characteristic and structure size of the rail crane,the parameterized model of the structure of the crane cart is established in ADAMS based on the secondary development of the technology,and the model and structure of the crane can be established just through modifying the input size in design interface. The proposed modeling method does not need to change constraints,and achieve the goal of rapid modeling. This paper create a method to calculate the offset between rail and wheel in the process of turning in ADAMS,which guaranteed that the wheel and rail is always vertical in the process of turning by using the simplified model,ADAMS point and line constraint and mobile vice joint. The method not only can calculate the size of the offset in the process of simulation and verify whether rail lifting in orbit can appear card rail phenomenon but also offer a reference for the secondary development of other mechanical systems and trajectory correction.

rail crane; parametric model; offset; pass verification

TH213

A

1672-9129(2017)06-0086-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.030

江華,喬榛,孫友剛,等. 基于ADAMS的有軌起重機參數化建模及仿真分析[J]. 數碼設計,2017,6(6)： 86-89.

Cite：JIANG Hua,QIAO Zhen,SUN Yougang,et al. The Parametric Modeling and Simulation Analysis of the Crane Based on ADAMS[J].Peak Data Science,2017,6(6)： 86-89.

2017-02-13；

2017-03-16。

江華（1975-），男，江蘇南通，上海振華重工（集團）股份有限公司智慧集團副總經理、職稱：高級工程師、學歷：大學本科。研究方向：港口起重機。

Email：hazel_qz@163.com