（光学工程专业论文）ns1601h型自动伸缩配重铁路起重机设计及动力学研究.pdf

摘要 铁路起重机主要用于铁路线上机车车辆颠覆，脱轨等事故时的起复救援工作，也可 用于铁路沿线进行的货物装卸、设备安装及铁路施工中铺设轨排和更换道叉、架设桥梁 等工程作业。随着国民经济对中国铁路的发展提出了更高的要求，铁道部批量引进了国 外先进技术的机车车辆整机，作为促进跨越式发展并进一步敦促国内机车车辆工业发展 的重大举措。所以国产铁路起重机的进一步升级，研制新型智能化产品，以适应新形势 下的救援工作要求，显得尤为重要。通过对国内外铁路起重机现状进行分析，对比国内 铁路起重机与国外产品的主要差距，结合当前国内铁路发展的需要，及当前国内机电行 业的迅速发展所提供的技术支持，说明了以现有技术平台进行自动伸缩配起重机设计是 非常必要的，也是完全可行的。 本文首先介绍了铁路起重机的国内外研究现状、发展趋势及研制中的关键技术，以 现有的n s l 6 0 1 型1 6 0 吨伸缩臂式铁路起重机为基础，对自动伸缩配重铁路起重机进行 了原理设计及方案设计；确定了主要结构的技术参数，对结构中的关键部分一一转台及 伸缩配重机构进行结构设计，并利用有限元分析技术，对其静强度进行校核，以保证其 工作可靠。最后，利用a d a m s 及m m l a b 软件建立了自动伸缩配重起重机的动力学模 型并进行了仿真，实现了起重机在吊重作业工况中的重心自动调整，并得到动力学参数 曲线，为起重机的设计提供理论依据。 关键词：铁路起重机；主动控制；有限元；a d m a s 大连交通大学：r 程硕十学位论文 a b s t r a c t t h em a i nu s e so fr a i l w a yc r a n ei st ol i f ia n dr e s c u et h er a i l w a yt r a i nw h e nt h e ya r e t o p p l e do v e ro rd e r a i l m e n t i ta l s oc a nb eu s e di nc a r g oh a n d l i n g ，e q u i p m e n ti n s t a l l a t i o na l o n g r a i l w a yl i n e ，a n dp a v et r a c k ，c h a n g ef o r k s ，b u i l db r i d g e se t ci nr a i l w a yc o n s t r u c t i o n b ut h e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yi no u rc o u n t r y ，t h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sr a i l w a yh a s b e e np u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s m i n i s t r yo fr a i l w a y si n t r o d u c e db a t c h e so fd e v e l o p e d f u l ll o c o m o t i v ev e h i c l e sf r o ma b r o a dt op r o m o t el e a p f r o gd e v e l o p m e n t i ti sa ni m p o r t a n t s t r a t e g yo fi m p r o v i n gt h ed e v e l o p m e n to fl o c o m o t i v e sa n dr o l l i n gm o c ki n d u s t r i e si no u r c o u n t r y s oi tb e c a m em o r ei m p o r t a n tf o ru st ou p g r a d er a i l w a yc r a n eo fo u rc o u n t r yf u r t h e r a n dn e wi n t e l l i g e n tt y p ep r o d u c t t h e nw ec a nf i tt h er e s c u ej o br e q u e s t su n d e rn e ws i t u a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tr a i l w a yc r a n es i t u a t i o ni na n da b r o a d ，c o m p a r i n gt h em a i n d i f f e r e n c e sb e t w e e nr a i l w a yc r a n ei no u rc o u n t r ya n da b r o a d ，c o m b i n i n gt h ec u r r e n tr e q u e s t s o fr a i l w a yd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r ya n dt e c h n i c a ls u p p o r t sa f f o r d e db yt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o m e c h a n i c a li no u rc o u n t r yt o t e s t i f yt h a ti t i sq u i t en e c e s s a r yt od e s i g na u t o m a t i c t e l e s c o p i cb a l a n c e d - w e i g h tm e c h a n i s mb yc u r r e n tt e c h n o l o g i e s i ti sf e a s i b l et od os o f i r s to fa l l ，d e v e l o p m e n to v e r v i e w ，d e v e l o p m e n tt r e n do fc r a n ei na n da b r o a da n dt h e k e yt e c h n o l o g i e sw e r ep r e s e n t e d a u t o m a t i ct e l e s c o p i cb a l a n c e d w e i g h tm e c h a n i s mw a s t a k e np r o g r a md e s i g na n dp r i n c i p l ea n a l y s i so ni tb a s e do nr e m a i n e dn s16 01t y p en u m b e r 16 0t e l e s c o p i cr a i l w a yc r a n e s t h e nt e c h n o l o g yp a r a m e t e r so ft h em a i ns t r u c t u r ew a s d e t e r m i n e d ；t h ek e yp a r t ( r o t a t i n gt a b l et e l e s c o p i cb a l a n c e d - w e i g h tm e c h a n i s m ) o fi tw a s d e s i g n e d c o n s i d e r i n gi t sr e l i a b i l i t y ，w eu s e df i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g yt ov e r i f yi t ss t a t i c s t r e n g t h a tl a s t ，w eu s e da d a m sa n dm a t l a bs o f t w a r et ob u i l dd y n a m i cm o d e lo f a u t o m a t i ct e l e s c o p i cb a l a n c e d w e i g h tm e c h a n i s ma n ds i m u l a t ei t g r a v i t yc e n t e ra u t o m a t i c a d j u s tw a sf u l f i l l e dw h e nr a i l w a yc r a n e sl i f t sl o a d s a tt h es a m et i m et h ed y n a m i cc u r v eo fi t w a s a c q u i r e d ，i ta f f o r dt h e o r yd e p e n d e n c et ot h ed e s i g no fr a i l w a yc r a n e k e yw o r d s ：r a i l w a yc r a n e ；a c t i v e c o n t r o l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；a d m a ss o f t w a r e 第一章绪论 第一章绪论 随着我国铁路运输事业的迅速发展，特别是铁路经过六次大提速以来，铁路运输的 线路规模不断扩大，客货运输车辆的运行速度、密集程度不断加大，对铁路事故应急救 援工作不断提出更高的要求。救援用铁路起重机作为担负救援工作的重要设备，只有不 断提高其工作性能和安全性，才能保证应急救援工作的迅捷、可靠，从而保证铁路大动 脉的畅通。 1 1 铁路起重机的概况 铁路起重机是指在铁路线上运行，从事装卸作业以及铁路机车、车辆颠覆等事故救 援的臂架型起重机，俗称轨道起重机1 1j 。按用途分为装卸用铁路起重机和救援用铁路起 重机。目前国内起重量1 2 5t 以上大型铁路起重机的主要用途是铁路机车车辆颠覆和脱 轨事故的救援，仅有少数服务于大型厂矿，但多数亦主要作内部铁路救援用，本文所述 的铁路起重机专指救援起重机。 铁路起重机作为一种铁路专用起重设备，因其能顺铁路线运动，承担沿线各种环境 下的起重作业，具有很好的机动性和适应性，自投入运用以来就一直受到世界各国的高 度重视。随着铁路和相关技术的发展，铁路起重机技术也在不断进步。在我国，铁路起 重机技术自2 0 世纪5 0 年代至今基本经历了6 个发展阶段，从最初主要用于铁路货物装 卸的起重机械，发展成为一种能处理铁路行车脱轨事故、排除线路障碍的关键救援起重 设备，在保证铁路运输的安全畅通上发挥着极为重要的作用。 2 0 世纪5 0 年代，我国铁路运输事业尚处于起步阶段，由于线路简单、速度低、运 量少，行车事故的影响不是很突出。加之技术和经济等原因，铁路起重机主要用于货物 的装卸作业，各项技术并未得到明显的提高，主要是一些以蒸汽机为动力，依靠机械传 动，回送速度在7 0k m h 以下，起重量在1 5 6 0t 的机型，代表产品是：z 1 5 、z 4 5 和 z 6 0 ，它们的适应性、机动性和作业效率都较低。 2 0 世纪6 0 年代中后期，铁路得到较大发展，对国民经济和社会生活的影响更加明 显，保证铁路运输畅通安全已显得极为重要，如何及时处理好铁路各种行车事故成为一 个急需解决的课题。由于蒸汽型铁路起重机不能很好满足事故处理的要求，特别是在机 动性能、起重能力以及连续作业能力等方面差距十分明显，因此我国研制了以n 1 0 0 1 型为代表的1 0 0 t 定长臂式内燃铁路起重机。由于使用了内燃机这种更为先进的动力源， 机动性及作业效率得到了很大的改善，最大起重量也由6 0 t 提高到1 0 0 t ，铁路起重机的 人连交通大学t 程硕十学位论文 回送速度达到了8 0k m h 。同时，由于引入了液压技术，铁路起重机在可靠性和稳定性 方面有了进步，取得了明显的技术飞跃。 2 0 世纪7 0 年代后期，n 1 0 0 型铁路起重机实施机、电、液一体化改造，特别是液压 技术得到了更为深入的应用，液压传动部分取代机械传动。改革开放后，我国铁路运输 快速发展，在运行密度、单位载重量等方面有了很大的提高，行车事故的经济代价和影 响力发生了质的变化，这对铁路起重机提出了更高的要求。 2 0 世纪8 0 年代末，我国研制出了n 1 6 0 型全液压内燃铁路起重机，在完善各项技 术的同时，最大起重量提高到了1 6 0t ，有效改善了铁路起重机的单机作业能力和机动性 能。这期间，为满足不同需要，研制出n 1 2 5 机型，铁路起重机初步形成了系列化，使 我国铁路处理运行事故的能力向前迈进了一大步，铁路起重机技术完成了第2 次革新。 2 0 世纪9 0 年代，铁路电气化向偏远山区延伸，在电气网下和隧道内的起重救援作 业不断增多，由于作业空间的限制，吊臂长度固定的起重机在电气化铁路线上进行起重 作业需要摘除高压供电网，这对铁路运输产生了严重的影响，而在隧道内有时根本无法 进行起重作业。为此，我国在2 0 世纪9 0 年代中后期研制出了n s l 6 0 型全液压伸缩臂铁 路起重机，并按照实际需要，进一步完善了铁路救援起重机系列，出现了n s l 6 0 1 、 n s l 2 5 1 、n s l 6 0 2 等不同吨位的机型，铁路起重机进入一个全新的发展时期1 2 1 。 表1 1 国内铁路起重机发展历程 t a b l e1 1 r a i l w a yc r a n ed e v e l o p m e n th i s t o r yi no u i c o u n t r y 时间动力情况传动方式吊臂形式最大起重量t回送速度k m h 6 0 年代前蒸汽机械固定臂 6 05 5 6 0 7 0 年代内燃机械固定臂 l0 08 0 7 0 年代中期内燃部分液压固定臂 10 08 0 8 0 年代末期内燃全液压固定臂 l6 08 0 9 0 年代中期内燃全液压伸缩臂 1 0 08 0 9 0 年代未期内燃全液压伸缩臂 1 6 01 2 0 1 2 国内外铁路起重机现状 ( 1 ) 国外铁路起重机现状 目前国际上在大吨位铁路起重机设计制造行业处于领先地位的主要是德国的 g o t t w a l d 公司和k i r o w 公司，这两家公司在铁路起重机的技术水平方面比较接 近，技术的先进性主要体现在采用伸缩式吊臂、伸缩式平衡重、双轴一组的转向架、曲 线超高补偿装置和计算机辅助操作系统等方面。 第一章绪论 g o t t w a l d 公司的伸缩平衡技术是旋转式伸缩平衡重，迄今为止按此技术已经生 产过3 台起重机，分别出售给了日本、瑞士和韩国。旋转式伸缩平衡重的发明，是铁路 起重机伸缩式平衡重技术的一大突破。 后来k i r o w 公司研究发明了双回转支承式伸缩平衡重结构。从1 9 9 9 年交出第1 台起重机至今，己累计交货1 5 台以上( 主要是起重量1 5 0t ，起重力矩超过1 2 0 0t m 的 重型起重机) ，分别交付给英国、法国、澳大利亚、瑞士、荷兰及德国等发达国家【3 1 。 近几年来，随着我国青藏铁路建设对救援铁路起重机的一些特殊要求，铁道部通过 国际招标的方式进口了k i r o w 的产品( 国内型号为n s l 6 0 0 ) ，对国内铁路起重机市 场已构成较大冲击。 ( 2 ) 国内铁路起重机现状 上世纪7 0 年代末，随着以机械传动为主要传动方式的n 1 0 0 1 型1 0 0 t 固定臂式内 燃起重机的面世及大批量生产，铁路起重机真正走向内燃化、大吨位的发展道路，紧接 着为进一步适应铁路救援工作的需要，齐车( 集团) 公司( 以下简称齐厂) 及武汉桥梁 厂分别开发出n 1 6 0 1 、n 1 6 0 2 型1 6 0 t 固定臂式液压起重机，至9 0 年代末，随着电气化 铁路的发展，特别是为了适应在电网下、桥梁上、隧道内的救援工作的需要，以上两厂 又分别开发出n s l 6 0 1 、n s l 6 0 2 型1 6 0 t 伸缩臂式起重机，为保证铁路运输大动脉的安 全和畅通发挥了巨大作用。 但是，国内现有定型的铁路起重机产品仍有很多不足之处，以齐厂生产的n s l 6 0 1 系列1 6 0 t 全液压伸缩臂式铁路起重机为例：该机的“智能化”程度不高，吊重作业时， 其力矩限制器的各工况调节，需由驾驶员按吊重具体情况，手动选取，效率低；尚存在 着一些“危险工况( 即吊重时整机重心接近支撑平面边缘) ，这时，对作业现场的支 腿支撑地基要求较高，给救援工作带来不便；此外还有支腿的工作情况没有在力矩限制 器中得以反映，等等。 随着国民经济发展对中国铁路的发展提出了更高的要求，铁道部提出“引进、消化、 吸收、再创新”的铁路机车车辆装备发展思路，并批量引进了国外先进技术的机车车辆 整机，作为促进跨越式发展并进一步敦促国内机车车辆工业发展的重大举措。目前，准 备为青藏铁路配属的专用救援铁路起重机，铁道部已经以国际招标的形式订购了德国 k i r o w 公司的产品，所以国产铁路起重机的进一步升级，研制与之配敌的新型智能化 产品，以适应新形势下的救援工作要求，显得尤为重要。但新技术的消化吸收及研制需 投入大量的人力物力，所以结合目前铁道部对国内救援点配置进行了缩减，新造救援吊 车市场已趋于饱和的现状，产品的升级措施应从提高现有主产品的工作安全性、便利性 及智能化入手，同时兼顾用于大修改造( n s l 6 0 1 型于1 9 9 9 年研制成功，已出厂了3 0 大连交通大学丁程硕士学位论文 余台，将逐年进入大修期) ，这样既经济又实际，还会有市场，同时使齐厂在激烈的国 际、国内市场竞争中立于不败之地。 1 3 研制自动伸缩配重铁路起重机的必要性和可行性 1 3 1 研制自动伸缩配重铁路起重机的必要性 ( 1 ) 从铁路事故救援的重要意义看其必要性 铁路是国家重要的基础设施，国民经济的大动脉。安全生产是铁路运输工作的生命 线，能否保证运输安全与畅通是检验铁路运输工作的重要标准。由于铁路运输条件复杂， 行车有关设备和自然灾害的影响以及行车有关人员的技术业务水平和工作经验不同，工 作疏漏或设备故障还是可能发生的，行车事故也就随之发生。 为保证在发生行车事故后做到“召之即来，来之能战，迅速复旧，化险为夷”，把 行车中断时间和事故损失减少到最低程度，在铁路运输行车组织中设置了救援列车，包 括救援铁路起重机、电线路修复车、接触网抢修车等。其中，担负事故机车、车辆复轨、 线路清理等重要任务的铁路起重机，对其性能可靠、安全的要求也不断提高。为在提高 铁路起重机救援效率的同时保证其安全性，通过可伸缩配重机构提高吊重作业的安全性 显得尤为重要。 ( 2 ) 从我国铁路起重机的现状和存在的问题看其必要性 当前，国内将最大起重吨位在1 2 5t 以上的铁路起重机列为救援用铁路起重机机型 并纳入救援列车管理。其中主要机型为n 1 6 0 系列定长臂( 齐厂为n 1 6 0 1 ，武桥厂为 n 1 6 0 2 ) 和n s l 2 5 、n s l 6 0 ( 齐厂的n s l 2 5 1 和n s l 6 0 1 ，武桥厂的n s l 6 0 2 ) 系列伸缩 臂式起重机。 为了使铁路起重机具有足够的吊重抗倾覆稳定性，往往在距离倾覆线最远的上车尾 部配置一定质量的平衡配重。为了避免不打支腿时的向后倾覆，也为了回送时转向架各 轴轴重均匀，n 1 0 0 2 型、n 1 6 0 1 型和n s l 6 0 1 型起重机平衡重的一部或全部，要在说明 书规定的某些工况和回送时拆下，置于底架上。这种办法比之于传统的不可拆装的固定 式平衡重有了重大进步。9 0 年代国内的铁路起重机除2 种型号的1 2 5t 铁路起重机为伸 缩式平衡配重( 不可旋转且行程短) 外，其他新型号的起重机上车尾部平衡重基本上都 采用可拆装式，吊重过程中上车尾部半径始终保持不变。因此，如果对起重机最大起重 力矩值的设计要求愈大，那么其尾部半径往往在设计时只得相应的加大。 为避免铁路起重机在回转时上车尾部和路堑的边坡相碰，或者为了起重机回转时， 尾部不侵入邻线的限界，确保邻线的安全畅通，用户往往对上车尾部半径提出严格的要 求。如施工用大、中型铁路起重机要求尾部半径在2 米以内，某些山区铁路要求大型铁 第一章绪论 路救援起重机的尾部半径小于4 米。鉴于用户对起重性能和上车尾部半径的严格要求， 研究开发可旋转的液压伸缩式尾部平衡配重显得非常重要。 近几年来，通过国际招标的方式进口的k i r o w 的产品( 国内型号为n s l 6 0 0 ) ， 截至本文完稿时，已达到1 1 台。鉴于竞争激烈的国内外大型救援铁路起重机的现状， 采用新结构、新技术，提高国内铁路起重机的性能水平，研制新型的大吨位铁路起重机 显得非常重要，而伸缩配重机构的研究将是一个关键的突破口。 1 3 2 进行自动伸缩配重铁路起重机设计的可行性 ( 1 ) 国内铁路起重机发展的技术积累已具备升级的平台。 表1 2 国内外大型铁路起重机主要性能比较( 打支腿状态下) t a b l e1 2c o m p a r eo fh u g er a i l w a yc r a n em a i np e r f o r m a n c e si na n da b r o a d 回转3 6 0 。顺轨方向最 最大起重支腿跨距 的额定起重大起重量 型号生产厂力矩纵横 量幅度幅度 t mm m t mt m n 1 0 0 2 齐齐哈尔1 0 0 5 21 0 0 5 25 2 06 x 6 n s l 0 0 1 兰州 1 0 0 6 57 0 1 07 0 0 8 4 x 6 n 1 6 0 l 齐齐哈尔 1 6 0 6 51 6 0 1 01 6 0 01 0 6 x 6 1 0 6 x 6 n s l 6 0 1 齐齐哈尔 1 6 0 6 51 6 0 91 4 4 0 1 1 3 8 x 4 8 1 0 5 4 x 6 n s l 6 0 2 武汉 1 6 0 6 51 6 0 91 4 4 0 1 1 5 1 x 4 8 8 6 4 x 5 8 n s l 2 5 l 齐齐哈尔 1 2 5 6 o1 2 5 8 01 0 0 0 9 4 6 x 4 8 7 0 x 6 6 n s l 2 5 2兰州1 2 5 6 51 2 5 7 08 7 59 0 6 0 10 6 x 4 0 5 5 5 5 4 2 x 6 5 8 g s l 0 0 0 6 tg o t t w a l d1 0 0 6 0 1 0 0 6 o6 0 0 3 2 8 x 6 8 6 6 9 x 2 7 5 9 6 ) ( 6 0 k r c l l 0 0 tk l r o w1 5 0 7 o1 5 0 7 0 1 0 5 010 6 x 4 5 1 0 9 x 3 0 g s l5 0 0 9 t g o t t w a l d1 5 0 7 o1 5 0 9 01 3 5 08 0 8 0 大连交通大学t 程硕十学位论文 自八十年代以来，我国铁路起重机吨位从6 0 t 逐步发展至1 0 0 t 、1 2 5 t 及1 6 0 t ；动力 传动系统由蒸汽机、机械传动发展为内燃机、液压传动；吊臂也由传统的固定臂改为伸 缩臂结构。尤其是国内在新产品研发过程中对其最大额定起重量和最大起重力矩这2 项 主要起重性能指标比较重视，注意在这2 项指标上和国外同类产品进行比较。因此，9 0 年代开发的新产品，在这2 项打支腿起重性能指标上，多数达到、甚至超过了当时国际 上同类产品的水平。 大型铁路起重机打支腿工况的最大额定起重量、最大起重力矩和不打支腿工况的起 重性能都是衡量铁路起重机起重性能的重要指标。前2 项均出现在打支腿工况，表现其 起重能力极限，后者体现为具有机动性和高效率的起重能力。前后2 项俱佳，说明该起 重机既有很强的起重能力又具有良好的机动性和作业效率。 铁路机车车辆颠覆和脱轨事故，大多数发生在其行驶的轨道上或其邻近处在单线铁 路上，事故车与救援起重机同处一条轨道上；在双线铁路上，一条线路因事故而运输中 断，必须全力保证相邻线路的畅通，救援起重机应力求在不影响邻线正常通车的前提下， 在已经中断的一条线路上完成救援作业。因此，顺轨方向( 吊臂与轨道方向一致或沿轨 道方向左右回转一个小角度的范围，这里统称为顺轨方向。根据使用需要和起重机的结 构与稳定性的可能，此角度一般设定在0 0 - 3 0 0 之间) 具有较大的起重能力，对铁路救援 作业意义重大。一般要求起重机在顺轨方向起吊最大额定起重量时，其车钩前有效幅度 为正值( 吊臂与轨道的中心线一致，吊钩中心的铅垂线在车钩连接线之外的距离为正值 有效幅度，反之为负值有效幅度) 。按照我国铁路机车车辆事故救援的实际需要，其顺 轨方向车钩前有效幅度不宜低于+ 1 7 米。 顺轨方向起重性能的优劣，是评价现代铁路起重机起重性能好坏的重要标准。国内 9 0 年代末设计试制的n s l 2 5 1 型1 2 5 t 铁路起重机，与n 1 0 0 2 型1 0 0 t 的整机质量相近， 采用相同的转向架，但其最大起重力矩比n 1 0 0 2 型的增加了近一倍：顺轨方向的车钩前 有效幅度由n 1 0 0 2 型的负值变为+ 2 3 2 米，在使用价值上和性能参数上都有了长足的进 步。 9 0 年代初研制成功的n 1 6 0 1 型1 6 0t 全液压定长臂式铁路起重机，在起重性能上 有了新的突破，其最大额定起重量的顺轨车钩前有效幅度达到3 7 米( 见表4 1 ) ；n s l 6 0 1 型伸缩臂式起重机的最大额定起重量的车钩i j 有效幅度亦达到2 7 米，在打支腿顺轨起 重性能方面均能较好地满足我国铁路救援的要求，使该指标处于国内外的领先水平。 另外，国外两公司的回转架钢结构采用的是9 0 钢等高强度钢焊接结构，而国内厂 家目前钢结构用材以q 3 4 5 为主，性能拓展空间极大。 因此可以说，国内铁路起重机发展的技术积累已具备升级的平台。 ( 2 ) 国内机电行业的新技术发展提供了相关辅助配套设施的技术保障。 第一章绪论 随着国内机电行业尤其是工程机械行业的不断发展，铁路起重机升级拟采用的相关 辅助配套设施提供了较大的选择范围：如直径在3 1 5 0 r a m 以上的大型回转支承部件，在 起重机械中已成熟应用的电控比例控制技术，力矩控制技术、液压传感技术、机车总线 控制技术等。 在原材料的选择上，国内厂家已能生产出优质h g 7 8 5 高强度钢，并且在钢结构生产 技术上己积累了成熟的高强度钢焊接工艺。 综上所述，依现有的技术条件，进行伸缩配重机构设计是完全可行的。 1 4 本文主要研究内容 ( 1 ) 国内外铁路起重机的概况及本文研究的必要性和可行性 通过对国内外铁路起重机现状进行分析，对比国内铁路起重机与国外产品的主要差 距，即国内铁路起重机的最大额定起重量及最大起重力矩方面是有优势的，只是在平衡 配重自动控制方面相对落后，结合当前国内铁路发展的需要，及当前国内机电行业的迅 速发展所提供的技术支持，以现有技术平台进行自动伸缩配起重机设计是非常必要的， 也是完全可行的。 ( 2 ) 主要结构方案设计、参数确定 对双回转式和旋转式两种伸缩式配重平衡机构的方案进行比较，确定最佳方案；对 双回转机构、伸缩式配重平衡机构等主要结构进行设计并确定整机的主要性能指标及技 术参数。 ( 3 ) 转台及伸缩配重机构的静强度分析 应用e d s 公司的i - d e a sm a s t e rs e r i e s11 0 结构分析软件系统对前、后转台及伸缩 重铁进行有限元分析计算，以保证转台及伸缩配重机构静强度满足要求。 ( 4 ) 建立起重机模型，进行动力学仿真 建立可以实现主动控制的仿真模型，以a d a m s 软件为动力学分析平台对起重机模 型进行动力学仿真，以验证其能否达到主动控制的目的。 本章小结 本章主要介绍了国内外铁路起重机的发展概况；通过对国内外铁路起重机现状进行 分析，对比国内铁路起重机与国外产品的差距，结合当前国内铁路发展的需要，及当前 国内机电行业的迅速发展所提供的技术支持，阐述了进行自动伸缩配起重机设计的必要 性、可行性。 大连交通大学下程硕士论文 第二章基础理论 弟一早莶佃面埋下匕 2 1 多刚体系统动力学 ( f o r c e ) 、自定义的代数一微分方程( u s e rd e f i n e da l g e b r a i ca n dd i f f e r e m i a le q u a t i o n ) ， p = 三仅= 三 ，或g = 兰 c 2 ， 第二章基础理论 如果将起重机分解成若干刚体建模，对于每个刚体，可以给出带乘子的拉格朗日方 程及相应的约束方程： ( f = l ，一，2 堋) ( 2 2 ) 式中， k 一动能；q j 一描述系统的广义坐标；y 一系统的约束方程；f j 一在广 义坐标方向的广义力；九，一聊1 的拉格朗日乘子列阵。 上式为二阶微分方程，考虑运动关系可将其降阶为一阶微分方程求解。求解过程数 据流程如图2 1 所示。 图2 1 多刚体动力学模型 f i g2 1m u l t i - r i g i db o d yd y n a m i cm o d e l a d a m s s o l v e r 有4 个强大数值积分程序，其中3 个为变阶、变步长的刚性积分程 序( g s t i f f ，d s t i f f h e h e 和w s t i f f ) ，使用的是变系数的b d f ( b a c k w a r dd i f f e r e n t i a t i o n f o r m u l a t i o n ) 方法，是自动变阶、变步长的预估校正法( p e c e ， p r e d i c t e v a l u a t e c o r r e c t e v a l u a t e ) ，第四个为非刚性积分程序，采用了 a d m a s b a s h f o r t h a d a m s m o u l t o n 算法，对于常用的3 个b d f 积分程序，其预估计校正 求解过程3 个阶段实现。 ( 1 ) 预估阶段 根据泰勒展开式预估在t n - i 时刻y 及其一阶导数y 值t a y l o r 展开式为 一。= + h y + 譬y ”。+ + 等露 ( 2 3 ) 其中h = 厶+ 一0 为积分步长，对于g e a rs t i f f 积分程序的格式为 i y 川= 口，y 川+ 。一厅。y ： ( 2 4 ) ，- i 其中p 0 ，z 为g e a r 积分系数。对上式变换可得 9 e i l 如 盟吨 i m 堡札 ) 罢饥加 旦m t 人连交通大学1 ：程硕士论文 y ：+ l = 去善呱川一以+ 1 ) ( 2 5 ) ( 2 ) 校正阶段 1 ) 求解系统方程g ，如g ( y ，y 。，t ) = 0 ，则方程成立，此时的y 为方程的解，否则继续。 2 ) 求解n e w t o n r a p h s o n 线性方程，得到妙，以更新y ，使系统方程g 更接近于成立。 a y = g ( y ，y 。，。+ 1 ) ( 2 6 ) 其中j 为系统的雅可比矩阵。 图2 2 积分算法流程图 f i g2 2i n t e g r a la r i t h m e t i cf l o wc h a r t 3 ) 利用n e w t o n r a p h s o n 迭代，更新y ： 第二章基础理论 y = y + a y ( 2 7 ) 4 ) 重复步骤2 - - 4 直到缈足够小。 ( 3 ) 误差控制阶段 1 ) 预估计积分误差并与误差精度比较，如积分误差过大则舍弃此步。 2 ) 计算优化的步长h 和阶数n 。 如果达到结束时间，则停止仿真，否则t = h a t ，进入步骤l ，其积分程序逻辑如 图2 2 ，图中y 表示解向量1 4 1 。 2 2 多刚体运动学 运动学分析主要研究零自由度系统的位置、速度、加速度与时间之间的函数关系问 题。 2 2 1 位置运动学分析 位置运动学分析就是已知时刻系统的位置状态吼，需要求取未来t 。时刻系统的位 置状态纺。只需求解系统位置约束方程组即可，如下所示： ( q ，f ) = 0 ( 2 8 ) 由于上面方程组的非线性特征，a d a m s 采用n e w t o n r a p h s o n 积分算法来有效的 求解上式，得到f l 时刻的位置状态仍。把公式2 8 进行t a y l o r 展开： o ( q i ，f 1 ) = o ( q o ，f 1 ) + ( ，t 1 ) ( q l q 0 ) ( 2 9 ) 由于进行运动分析的系统自由度为0 ，因此m 。( q o ，1 1 ) 是非奇异方阵，可求逆阵。通 过外部积分器给出一个比较合理的叠代初值g ：们，n r 算法的核心在于计算第j ( 芝o ) 次 叠代后得到的误差值a o ) ，计算公式如下： 。( 9 0 ，1 ) o = - o ( q ，1 ) ( 2 1 0 ) 循环计算直到当7 与( 或) o ( q i ，) 足够小。由于系统方程线性化后本身就存在 误差，如果给出的初始叠代点离解的位置比较远的话，n e w t o n r a p h s o n 积分算法是不 容易收敛的。如果出现数值积分发散的情况，一个比较有效的解救办法是减小积分步长。 2 2 2 速度运动学分析 速度运动学分析也是从已知t o 时刻系统的速度状态q ：，需要求取未来f l 时刻系统的 速度状态q ：。只需求解系统运动学速度约束方程组即可，如下所示： 。( g ，i ) q = 一中l ( g ，1 ) ( 2 11 ) 大连交通大学：t j 程硕十论文 通过前面的位置运动学分析已经求出了，l 时刻的位置状态吼，公式2 1 1 表示的又是 一个关于速度的线性方程组，求出非奇异阵。( g 。，t i ) 就可以算出时刻的速度g ：。 2 2 3 加速度运动学分析 在前面位置、速度运动学分析结束以后，加速度运动学分析就比较容易了，即求解 如下关于q ”的线性方程组： 。( g ，t ) q = 一( 。q ) 口q 一2 0 刖( g ，t ) ( 2 1 2 ) 2 3 有限元算法原理 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互 联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可 以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法 的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待 求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的 数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导 数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由 度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算 出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。显然随着单元数目的 增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度数的增加及插值函数精度的提高，解 的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解【9 j 。 当前的有限元法是以位移为基本未知数，依据变分原理中的最小势能原理来建立有 限元求解方程的。其基本思路是：将计算对象进行离散，然后研究结点的平衡，最后， 利用插值技术获得域内解。下面以弹性力学平面问题为例，给出有限元法的算法原理。 首先，将连续体划分成有限个单元，单元之间由结点互相连接，不同单元的结点有 不同的结点自由度。对于弹性力学平面问题，则单元内任一点协，y ) 的位移 ( 材【x ，j ，) ，v ( x ，y ) ) 的插值公式总可以写成 u ( x ，y ) = ：，( x ，y ) u ，l 二 或f = n d r 1i j v ( x ，j ，) = 芝：，( x ，y ) v ，i _ j ( 2 1 3 ) 式中u ( x ，j ，) ，v ( x ，j ，) 分别代表点( 工，j ，) 在x 和y 方向的位移，吩分别代表单元结 点f 的位移，。( j ，y ) 代表插值形状函数，称之为位移形函数，它实现了用结点位移表 示单元内位移的插值联系。单元结点上的位移是“有限”的，单元内的位移点是“无限”的， j 下是式( 2 1 3 ) 中的插值形状函数建立了二者之间的联系。 第二章基础理论 弹性力学平面问题的几何方程给出了位移与应变之间的几何关系： 抛加锄加 j5 否y5 万5 万+ 瓦 ( 2 1 4 ) 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 4 ) ，可得 = b d ( 2 1 5 ) 式中，称之为应变向量，d 称之为单元结点位移向量，b 称之为几何矩阵，它是 对位移形状函数求导数得到的。式( 2 1 5 ) 实现了用结点位移表示单元内任一点处的应 变。另外，弹性力学平面问题的物理方程( 广义虎克定律) 给出了应变与应力之间的物 理关系： o = e ( 2 1 6 ) 式中6 = 何，qt x y j r 称之为应力向量，e 称之为弹性矩阵，它取决于材料的物理特 性，对各向同性材料的平面应力问题， e ：三 1 一p 2 1 p 1 00 0 o 1 一“ 2 式中e 是材料杨氏模量，是波松比。将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 6 ) ， o = e b d ( 2 1 7 ) 于是 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 实现了e h 结点位移表示单元内任一点处的应力。 根据弹性力学理论，线弹性连续体的总势能可以写成积分形式： 兀= f1 2e t e d v - f t f d v - f t 叩d s ( 2 1 9 ) 式中，第一个积分是单元内应力的功，此功作为应变能储存起来，后两项分别表示 体力和面力在它们的移动方向上所做的功而导致的势能减少，f = ( 口( x ，y ) v ( x ，j ，) ) r 是位 移函数，v 代表积分体积，s 代表边界表面上的积分面积。将式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 5 ) 代 入( 2 1 9 ) ，于是得到了用结点位移d 表示的单元总势能： n r = 1 2 d 丁( 工b t e b d l ，) d - d r 工n t f d v d tin t q d s ( 2 2 0 ) 结构的总势能是对每个单元势能求和得到的，同时还应包括作用在结构某些结点 上的外加集中力p 的势能，定义p 的分量与结点自由度方向相同为正，于是得到结构的 总势能： 大连交通大学工程硕十论文 n = l 兀。l d t p 一i ( 2 2 1 ) 式中d 被定义为结构所有结点的总位移向量，它包括了所有单元的结点位移，所以， 只要单元结点位移d 假想扩大“结构大小”，式( 2 2 1 ) 中的累加就可以进行，从而可得 用所有结点位移表示的结构总势能： n = 圭。t ( 苹f b t e b 咖 。+ 。7 1 霉( - i n t f 咖一n t q 协) 一。t p 。2 2 2 ) 至此，从结构离散成有限个单元至用有限多个结点位移表示结构总势能的过程全部 完成。式( 2 2 2 ) 非常重要，它实现了用有限元模型替代原结构物理模型，并将结构的 总势能凝聚成了d 的函数。 引入最小总势能原理，得到平衡条件： 一0 1 - i ：里：一里：o j一= 一= = 一= i 0 d 2 0 d 式中1 1 是结构自由度总数，如果以矩阵形式表示， 构平衡状态的方程： ( 2 2 3 ) 有罢一o ，求导数，得到描写结 ( 车ib t e b d v 。2 苹( in r f d v + fn t 叩d j ) + p 。2 2 4 ， 这是以n 个独立位移为未知数的n 个线性代数方程，式中，令k ：f b 。e b d v ，称 之为单元刚度矩阵；令式右端的第一项为单元结点等效力r 的累加，则式( 3 1 2 ) 可简 记为： yki d ：yr + p l 二- j l 一 l i ( 2 2 5 ) 再令 k = k ，r = r + p ，则( 2 2 5 ) 又可简记为： k d = r ( 2 2 6 ) 式中，k 称之为结构整体刚度矩阵，是由单元刚度矩阵k 根据单元结点编号信息累 加而成的，其中每一个元素仅取决于构成单元的材料及几何形状。k 是一个对称阵，另 外它还是一个以对角元为中心的稀疏带状阵，并由此形成了它特有的存贮与求解方式。 总之，利用最小总势能原理，将平衡问题归结为式( 2 2 6 ) 那样的一组平衡方程， 求解该方程组，可得离散后所有结点上的独立位移，进而可求单元内的内力或应力。这 第二章基础理论 些平衡方程反映了结点上的平衡条件，即 署= 。，所以式( 2 2 6 ) 的解是原问题的近 似解，其近似程度不仅取决于离散过程中网格的疏密，也取于被选取的单元类型。关于 以假定位移场为基础的平衡和连续性的要求、关于收敛和协调性的讨论、关于提高计算 精度的等参元等等问题在王勖成和邵敏专著有限单元法基本原理和数值方法( 清华 大学出版社) 中有详细介绍1 5 1 ，这里不再重复。 本章小结 本章主要介绍了本文进行静强度分析及动力学仿真所涉及到的基础理论知识。其中 包括多体动力学分析和有限元基础知识。 大连交通大