橋式起重機的發展概述

黃家輝 王帥 李勝

摘要：隨著計算機技術的飛速發展，國內外很多起重機生產商開始利用仿真技術來對產品進行設計，以提高產品的設計速度，縮短設計周期，提高設計可靠性。在產品設計時通過建立結構的三維模型并模擬其運動過程，然后對仿真結果進行分析，以判斷設計的產品是否滿足要求，若不滿足設計要求，可在產品設計初期對其進行改進，以達到降低設計成本的目的。目前國內很多生產廠商利用三維軟件對起重機的重要部件進行優化設計，以降低設計和生產成本，提升企業競爭力。

仿真模擬則為實現更加經濟，可靠，復雜，高性能的起重機設計提供了一種新型的設計手段。

一、研究的背景和意義

起重機械可以完成僅靠人力無法完成的重物搬運工作，可用來進行起重、運輸、安裝和裝卸的機械減輕了人類的勞動，提升了速率，在車站、工地、港口、工廠、礦場、倉庫、水電站、大壩等各種領域中得到了廣泛的應用。起重機為不可缺少重要機械設施，不僅是生產過程中輔助機械，對于起重機的操作它直接影響到我們的生命安全和財產安全。起重機它是一種短程搬運材料的工具，它的運動方式是循環的，間歇的運動。起重機的一個工作周期包括：通過起升機構把我們需要提升的物體提起，然后進行移動，最后在特定的位置使物體下降，放在特定的位置，這樣循環往復工作。

二、橋式起重機設計的發展狀況

1、國內橋式起重機的發展現狀

隨著電子信息技術的發展，國內外許多起重機制造商已經開始使用仿真技術來設計產品，使用更高效和可靠的仿真技術來提高產品設計速度，提高設計的可靠性，并直接通過仿真分析設計判斷是否達到設計目標，以減少生產成本的原型。

目前，國內起重機正在從多個領域和方向上進行優化，以提高企業的競爭力。

中國起重機的研究和發展趨勢包括以下幾個方面：

（1）優化設計：仿真設計是優化設計中常用的一種。

該產品不僅要考慮其靜態特性，還要考慮其動態特性，但靜態特性不能通過實驗方法反映出不同條件下的動態特性。動態特性要求樣品的生產，但在產品滿足設計要求之前制造樣品浪費時間，增加了很多成本。仿真技術可以模擬產品在不同工況下的動態響應。通過仿真數據對設計的質量進行了評價，實現了無紙化設計，大大降低了設計的時間和成本。

（2）新材料的應用：由于鋼鐵行業的技術改造，鋼材產品的質量得到了提高，使用的材料數量可以減少，從而降低了設備的重量，降低了成本。在設計吊車梁強度時，可以不需要較高的安全系數就可以使用較高的許用應力，這減少了所使用的材料的數量，而且由于可用驅動器的重量較輕，功率降低，降低了電力成本。

（3）模塊化設計：通過建立一個多層次的標準化和模塊化單元，如起重機的結構、機構、部件等，產品的改進只需要對目標模塊進行修改，大大加快了新產品的開發。

（4）“三個趨勢”和“三個特征”的發展：目前，中國正朝著大規模、自動化、一體化的方向發展：創新、可靠、安全，提高產品生產質量和生產效率，產品市場競爭力繼續提高。

（5）開發新的驅動組件：通過開發新的驅動組件，將發動機、制動器、減速機等機構的簡化集成到一起。這種三合一結構不僅提高了操作機構的性能和壽命，而且提供了一個緊湊的結構，保養方便，外形美觀。[1]

2、國外橋式起重機的發展現狀

虛擬樣機技術已在西方發達國家得到推廣和發展。德國、美國、日本等資本主義國家在這一新興技術領域取得了顯著的成就，在汽車工業、電子工業、神經網絡、航空航天、工程機械、生物力學、醫藥、人工智能等領域都得到了廣泛的應用。

在理論研究的基礎上，運用離散有限元法建立了橋式起重機的運動學方程，建立了起重機的多自由度力學模型。研究了不同工況下橋梁結構的動態特性：美國學者Ali T. Alouani開發了一種系統的模糊控制器，在起重機運行過程中實現了繩索的擺動;Blackburnd和Singhosew開發了一種命令成型算法用于提高非線性塔式起重機旋轉運動的阻尼效應;克羅地亞學者Jolevski Danijel證實了控制器在橋式起重機模型中的應用，并與傳統的控制系統進行了比較，以防止繩索的擺動。

作為世界上最重要的建筑機械制造商之一，卡特彼勒在上個世紀90年代一直處于領先地位。

由于計算機技術的快速發展。這家公司便嘗試將仿真技術應用到產品的設計和開發過程當中，整個設計過程和公司研究和開發的成本已經大大降低，同時公司也保持一個穩定的市場份額。

同樣的，為了解決高速施工機械的彎道現象和在重負下的自激振動，John Deere在沒有有效解決方案的前提下采用了虛擬樣機技術，使工程師能夠找到問題的根本原因。該公司還在原有計劃的基礎上提出了技術創新，大大提高了產品的高速駕駛性能和重型經營性能，使產品在市場上更具競爭力。它的設計、裝配、性能評估和分析都是通過仿真技術完成的，這不僅減少了設計變更的數量，也降低了開發成本高達94%，提高了10倍的模具設計的精度，使開發周期減少了近50%。[2]

三、虛擬樣機技術的發展

虛擬樣機技術指的是在實物原型建立之前的產品開發階段。設計師使用計算機系統來構建產品的整體模型，使用仿真分析來模擬產品投入使用后的實際情況，并以圖形的方式顯示出來。

使用虛擬樣機代替實物原型驗證設計可以大大簡化機械產品的設計和開發過程，大大縮短產品開發周期，大大降低產品開發成本，顯著提高產品質量，提高產品系統性能，從而實現優化設計和創新設計。

多體系統的動力學它的計算是由計算機技術在靜態分析和運動學分析以及力學系統的動力學分析這些方面的應用而產生的，從而產生了多體運動學的分析軟件，ADAMS就是代表之一。它與有限元相結合，成為了計算機輔助工程（CAE）非常重要的一部分。非常多的新技術集成到了虛擬樣機技術當中，而多體系統動力學的核心就是模型的建立。數值計算的方法是應用數學的一個重要分支，為模型求解提供了一種快速有效的方法。計算機技術是其實現的外殼。CAD＼CAM＼CAE集成開發技術對虛擬樣機的應用和推廣提供了非常好的技術條件。他的三維計算機圖形技術以及基于圖形的用戶界面的技術非常成熟，并且計算機的可視化和動畫技術的發展已經比較成熟，這也為該項技術提供了友好的人機界面。

參考文獻：

[1]須雷.起重運輸機械國內市場需求預測[J]，世界機電經貿信息，1996，11：23-24

[2]洪嘉振.多體系統動力學——理論、計算方法和應用.上海：上海交大出版社，1992

[3]張越今.多體動力學仿真軟件ADAMS理論及應用研討.機械科學與技術，1996

[4]李軍，邢俊文，譚文浩等編.ADAMS實例教程.北京：北京理工大學出版社，2002