風電起重機虛擬樣機技術應用研究

高建橋

?

風電起重機虛擬樣機技術應用研究

高建橋

（華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045）

當前風電起重機研究方法以靜力學為主，得到數據誤差較大，參考價值有限。為了更好對風電起重機的不同運行狀況進行分析，文章運用虛擬樣機技術對風電起重機進行動力學分析研究，根據多體系統動力學理論，推導出風電起重機臂架在變幅機構和回轉機構運動中的動態載荷特性，結合風電起重機剛體模型中機構動力學仿真分析研究，驗證虛擬樣機技術應用于風電起重機的可行性和準確性。

風電起重機；虛擬樣機技術；動力學分析；剛體模型

1 緒論

自二十世紀中期以來，圍繞計算機開發的機械設計方法和軟件成為當前世界上機械設計研究的主流。計算機輔助設計類軟件經過幾十年的發展，逐步成熟和完善，為機械設計提供了更為便捷的方法和廣闊的思路，打破了各個領域的界限，使得科學的發展不再圍繞著某一個點來進行而是全面發展，這為科技的發展開創了新的領域[1,2]。

虛擬樣機技術作為新興的技術，對我國機械行業的發展是不可估量的，虛擬樣機技術能夠更好的融合現代優秀元素、先進制造技術和先進仿真技術，將這些輔助的系統加以統籌管理，使得更好的為設計研發服務，縮減產品設計研發周期[3]。其中應用最為廣泛的為MSC/ADAMS軟件。通過虛擬仿真技術可以快速的吸收國外優秀的設計方法和設計經驗，使得能夠快速的實現新產品的開發和舊產品的升級，也為我國風起起重機的發展提供了一個很好的契機[4]。但是虛擬樣機技術在風電起重機領域的應用上還存在很多不足，主要為：

（1）虛擬樣機技術在風電起重機械領域的研究過于簡單和單調，缺乏對復雜結構和運動狀況的研究。

（2）虛擬樣機技術在起重機械領域的研究大部分還僅處在理論階段，缺少相應的驗證。

2 風電起重機機構載荷特性

2.1 變幅機構動態載荷特性

風電起重機變幅機構運行中，其動載荷為臂架在它所在的垂直平面內的振動[5,6]。由于風電起重機在變幅過程中的振動周期遠小于臂架結構的振動周期，因此在考慮風電起重機變幅機構動載荷時，可以把吊重機組看做是靜載荷附加在臂架結構上。風電起重機的變幅系統可以簡化為如圖1所示的雙質量單自由度的計算模型。

圖1 起重機變幅系統計算模型

風電起重機臂架變幅鉸點出彎矩為：

由公式（1）可以了解到風電起重機變幅機構的動態特性是與自身結構的特性和電機的特性以及自身尺寸有關的一個余弦函數，變幅鉸點處的彎矩的極值與變幅過程中相位角的取值有關。

2.2 回轉機構動態載荷特性

風電起重機回轉機構的運行中，其動載荷主要體現在風電起重機臂架頭部，方向與臂架垂直，由于風電機組在回轉過程中振動周期遠小于臂架自身的振動周期，因此在風電起重機回轉機構運行中可以把風電機組在水平方向的載荷看做是靜載荷附加在臂架上[5,6]。在此基礎上風電起重機回轉結構的計算模型可以簡化為如圖2所示。

圖2 起重機回轉機構計算模型

風電起重機的電機驅動轉矩為階躍載荷，其等效到風電起重機中心的轉矩為：

臂架式起重機回轉過程中，其最大的啟動轉矩T為起重機平穩運動靜態轉矩的1.5~2.0倍，由此可知：

3 風電起重機剛體模型動力學分析

3.1 變幅機構動力學分析

圖3 臂架下鉸點彎矩曲線

由圖3可知，在變幅運行中臂架鉸點的彎矩與余弦變化的相位角有關，符合公式（2）的推導，得出結果與實際相符合。

3.2 回轉機構動力學分析

圖4 回轉阻力鉅曲線

4 結論

以風電起重機剛性體模型為藍本，分別對其變幅機構和回轉機構進行了動力學分析，通過仿真結果與前邊的理論分析比對，驗證虛擬樣機技術應用與風電起重機的可行性和準確性。

[1] 陳峰華.2012虛擬樣機技術[M].清華大學出版社,2013.

[2] 姜士湖,閏相禎.虛擬樣機技術及其在國內的應用前景[J].機械2003(1):4~7.

[3] 李瑞濤.虛擬樣機技術的概念及應用[J].機電一體化,2000(5):17~ 19.

[4] 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.

[5] 胡宗武,閻以誦.起重機動力學[M].北京:機械工業出版社,1986.

[6] 胡宗武,顧迪民.起重機設計計算[M].北京:北京科學技術出版社,1989.

[7] GB/T3811-2008.起重機設計規范[S].

Application research on virtual prototype technology of wind power crane

Gao Jianqiao

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electrical Power University, Henan Zhengzhou 450045 )

At present, the research method of wind power crane is mainly based on statics, which results in large data error and limited reference value.In order to better analyze the wind power crane different running conditions, this paper USES the virtual prototype technology for dynamic analysis of wind power crane, according to the theory of multi-body system dynamics, wind power is deduced in luffing mechanism and the rotary motion of crane booms in the dynamic load characteristics, simulation of wind power crane rigid body dynamics model of mechanism analysis, verify the feasibility of virtual prototype technology is applied to wind power crane and accuracy.

wind power crane;Virtual prototyping technology;Dynamic analysis;The rigid body model

U462

A

1671-7988(2019)09-60-02

U462

A

1671-7988(2019)09-60-02

高建橋 (1990- )，男，就讀于華北水利水電大學，專業：機械工程。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.018