基于ADAMS的25t汽車起重機穩(wěn)定性分析

高 航，薛齊文，黃 叢

（1.大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.航天科工空間工程發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

汽車起重機是裝在普通汽車底盤或特制汽車底盤上的一種起重機，其行駛駕駛室與起重操縱室分開設(shè)置。這種起重機的優(yōu)點是機動性好，轉(zhuǎn)移迅速。此種起重機一般備有上、下車兩個操縱室，作業(yè)時必需伸出支腿保持穩(wěn)定。起重量的范圍很大，可從8t～1600t，是產(chǎn)量最大，使用最廣泛的起重機類型。為了防止汽車起重機工作中突發(fā)傾翻事故，對汽車起重機作業(yè)時的穩(wěn)定性做全面分析，具有現(xiàn)實的意義。

目前對汽車起重機的穩(wěn)定性分析的手段主要是模擬實驗和動力學(xué)算法。由于汽車起重機車身龐大，采用試驗手段有諸多不便。力學(xué)計算則只能進行靜態(tài)平衡載荷組合計算，并不能準(zhǔn)確反映汽車起重機的動態(tài)力學(xué)特性，且采用動力學(xué)方法建立系統(tǒng)模型進行數(shù)值求解，關(guān)聯(lián)參數(shù)較多，計算困難。模擬樣機技術(shù)是在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)集成在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工作情況進行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進而改進產(chǎn)品設(shè)計，提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)，具有低成本、短時間、高質(zhì)量的特點[1-4]。將虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用于汽車起重機穩(wěn)定性分析可以彌補傳統(tǒng)分析方式的不足，眾多學(xué)者就此展開了研究工作。鄭夕健[5]等利用虛擬樣機分析汽車起重機起升最大重量時整機的穩(wěn)定性。劉賀[6-7]等基于虛擬樣機研究了在不同地面條件下汽車起重機的穩(wěn)定性。楊名坤[8]基于虛擬樣機得到了關(guān)于保證汽車起重機工作狀態(tài)下整車穩(wěn)定性的最優(yōu)路面力學(xué)特性的臨界彈性模量值。但是上述文獻均未考慮起重機變幅伸縮過程及不同臂長的影響。

本文針對汽車起重機，通過虛擬樣機技術(shù)建立與實際系統(tǒng)非常接近的多剛體系統(tǒng)模型，考慮不同臂長，在最大仰角下，加載最大起重量的3種狀態(tài)下進行動力學(xué)仿真，完整模擬其變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)、加載、帶載回轉(zhuǎn)、突然卸載試驗的全過程，在短時間內(nèi)獲得其運動規(guī)律以及動態(tài)特性的參數(shù)。通過對參數(shù)的分析和對比，歸納總結(jié)出三種臂長支腿位移時起重機的穩(wěn)定性產(chǎn)業(yè)化規(guī)律，為對汽車起重機或相關(guān)工程機械的動力學(xué)研究提供參考。

1 汽車起重機的失穩(wěn)

起重機在失穩(wěn)時的傾翻線由起重機的支腿尺寸確定，在汽車起重機吊重時，最危險的失穩(wěn)工況是吊臂位于垂直于側(cè)方傾翻線的位置。所以，在進行穩(wěn)定性試驗時，都是以吊臂位于正側(cè)方的工況為基準(zhǔn)，在這個工況下起重機必須保證最低的穩(wěn)定性。而對于吊臂位于正側(cè)方突然卸載的工況無法進行試驗驗證，只能通過公式校核，工作時突然卸載的校核公式為：

a為支腿到回轉(zhuǎn)中心垂線的水平距離；0.2為系數(shù)。

但上述公式采用靜平衡方法未考慮動力，不能準(zhǔn)確地反映起重機工作狀態(tài)下的動態(tài)穩(wěn)定性，本文通過虛擬樣機建立復(fù)雜的多剛體動力學(xué)模型，根據(jù)起重機失穩(wěn)試驗標(biāo)準(zhǔn)（有兩個支腿同時離地或單個支腿離地超過5cm地就意味著起重機失穩(wěn)） 討論其穩(wěn)定性。

2 虛擬樣機分析

以25t汽車起重機為研究對象，建立對應(yīng)的三維模型，把模型導(dǎo)入Adams中定義材料屬性、設(shè)置約束與接觸力、施加驅(qū)動，完成多剛體系統(tǒng)動力學(xué)建模并進行仿真。

2.1 建模

如圖1，汽車起重機主要由回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、變幅油缸系統(tǒng)、吊臂系統(tǒng)組成，為了減少計算機運行負(fù)擔(dān)和計算時間，對各系統(tǒng)進行合理簡化，省略了輪胎、操作室等對穩(wěn)定性影響有限的部件。建立起重機主要組成部分的三維實體模型，包括五節(jié)吊臂、轉(zhuǎn)臺、變幅油缸、車頭、車架、支腿、配重、質(zhì)量塊。通過裝配使各部件處于規(guī)定的作業(yè)位置，得到計算所需的整機模型（圖2）。

圖1 起重機多體系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 起重機三維模型

將裝配好的模型導(dǎo)入到 ADAMS/View 模塊，設(shè)置各構(gòu)件的材料屬性，因為各構(gòu)件的變形對汽車起重機的穩(wěn)定性影響有限，所以各構(gòu)件均設(shè)置為剛性體。此外在支腿下建立一個平板，模擬地面。

2.2 添加約束

在導(dǎo)入的三維模型中根據(jù)汽車起重機的動力學(xué)特性對其添加 ADAMS 所提供的約束，如：移動副、轉(zhuǎn)動副和固定副，等等。變幅油缸之間存在彈性，在受到載荷時會產(chǎn)生相對位移。因此，在油缸之間添加移動副后還需添加柔性軸套力來表現(xiàn)油缸的特性。各部件間的約束關(guān)系見表1 。

表1 汽車起重機的約束

2.3 定義接觸

支腿與地面之間設(shè)置接觸力，在ADAMS/View中計算接觸力的方法有：補償法、沖擊函數(shù)法和自定義法[9-10]。本文采用沖擊函數(shù)法。接觸法向力公式如下：

式中，x為支腿與地面間的距離；˙x為支腿與地面的相對速度；x1為x的自由距離，當(dāng)x＜x1時表示支腿與地面發(fā)生接觸，此時產(chǎn)生接觸壓力，xx1時接觸為0；k為支腿與地面的接觸剛度，是一個非負(fù)實數(shù)；e為力指數(shù)；cmax為接觸過程中最大阻尼系數(shù)。

參數(shù)設(shè)置如下：K=1860.186，e=2.2，cmax=5.706，d=0.01

2.4 工況分析

本文分別模擬起重機基本臂、中長臂、最長主臂狀態(tài)下，吊載對應(yīng)最大起重量，吊臂位于垂直于側(cè)方傾翻線的位置上時突然卸載的三種典型工況。工況1模擬汽車起重機基本臂的試驗過程：前40s起重機變幅油缸伸長進行變幅，40s后轉(zhuǎn)臺開始回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)至47s吊臂與車架夾角約60°時加載，至50s吊臂與車架垂直時突然卸載。工況2模擬汽車起重機中長臂，工況3模擬汽車起重機最長主臂。工況2、3較工況1多進行了吊臂的伸展過程，吊臂伸展類型為順序伸展加同步伸展，即二節(jié)臂先伸展，三、四、五節(jié)臂同步伸展。

表2 工況參數(shù)

2.5 施加驅(qū)動

使用STEP函數(shù)來控制吊臂的伸縮變幅、轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)以及吊重加載。以工況2為例，驅(qū)動函數(shù)表達式分別為：變幅驅(qū)動STEP（time，0，0，40，2850）、二節(jié)臂伸展驅(qū)動STEP（time，40，0，60，3865）、三、四、五節(jié)臂伸展驅(qū)動STEP（time，60，0，80，3795）、回轉(zhuǎn)驅(qū)動STEP（time，80，0，100，180d）。吊重加載函數(shù)STEP（time，87，0，87.1，106000）+STEP（time，87.1，0，90，0）+STEP（time，90，0，90.1，-106000）。

3 動力學(xué)仿真結(jié)果

施加力與約束后，首先對模型進行靜平衡分析，計算出靜平衡位置，然后分別對3種工況進行動力學(xué)分析。為方便分析，從車身左側(cè)前支腿開始，按逆時針方向為4個支腿進行標(biāo)號，分別為 1、2、3、4 號支腿。根據(jù)仿真結(jié)果，后20s支腿位移變化明顯，其中4號支腿位移最大，利用Adams后處理模塊導(dǎo)出三個工況4號支腿的全程支腿豎向位移曲線和四個支腿后20s支腿豎向位移曲線，并對比三種臂長支腿位移的規(guī)律。

根據(jù)圖3中4號支腿全程位移曲線分析，0s時支腿位置為動力學(xué)仿真的初始位置。0～40s變幅油缸活塞桿伸出，吊臂仰起，起重機重心后移，三個工況支腿位移相同，4號支腿產(chǎn)生向下位移；工況2、3的吊臂伸展過程中支腿都有輕微的震顫，4號支腿位移有向上的趨勢。總之，變幅和伸展過程對整機穩(wěn)定性影響有限，重點在后20s的加載卸載過程，見圖4、5、6、7、8。

圖3 工況1四號支腿全程豎向位移曲線

圖4 工況1后20s支腿豎向位移曲線

圖5 工況2四號支腿全程豎向位移曲線

圖6 工況2后20 s支腿豎向位移曲線

圖7 工況3四號支腿全程豎向位移曲線

圖8 工況3后20 s支腿豎向位移曲線

工況1、2、3分別在40、80、120s時開始回轉(zhuǎn)，工況1回轉(zhuǎn)過程中，1、2號支腿明顯向上，3、4號向下；工況2、3回轉(zhuǎn)過程支腿位移不明顯，加載時工況1四個支腿均未離地，工況2的4號支腿離地2.5mm，工況3四號支腿離地5mm，帶載回轉(zhuǎn)過程逐漸趨于穩(wěn)定，突然卸載時，四個支腿產(chǎn)生振動，5s后趨于平穩(wěn)，回到初始位置，三個工況均保持良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本研究建立了汽車起重機多剛體動力學(xué)模型，充分考慮了其變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)、加載、帶載回轉(zhuǎn)、突然卸載作業(yè)全過程，更直觀地反映起重機動態(tài)特性，可有效驗證起重機整機穩(wěn)定性，防止傾翻事故發(fā)生。

通過動力學(xué)仿真計算結(jié)果可知，三種最危險工況下，起重機支腿離地最大位移均未超過限制高度，該25t汽車起重機滿足穩(wěn)定性要求。

對比3個工況支腿豎向位移隨時間變化曲線，工況1作業(yè)時4個支腿均未離地，工況2、3只有四號支腿離地且工況3離地高度大于工況2，可見同樣吊載最大起重量，臂長越長，對穩(wěn)定性的影響越明顯。