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硕士论文基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 摘要 桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现生产过程自动化和机械化的重 要设备，它横架于料场、车间和仓库上空进行物料吊运，而且在室内外钢铁化工、铁 路交通、工矿企业、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。随 着科技和生产的发展，对起重机的要求也越来越高，传统的静态分析与静态设计 方法已不能满足现代飞速发展的工业设计的需求。所以，利用虚拟样机技术对桥 式起重机进行其各个工作机构的动力学仿真与动态分析，得到其工作的动态特性 及载荷随时间变化的历程等规律，对桥式起重机的设计与改进具有非常重要的意 义。 本文以5 0 l o t 的双梁桥式起重机为研究对象，借助a d a m s 和s o l i d w o r k s 等 主要平台，对桥式起重机进行了各组工作机构的系统动力学的仿真和分析，得到 了其速度、加速度、接触力等动态性能随时问变化的历程，得到的结果为桥式起 重机的设计提供了有效的理论依据，论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 根据起重机动力学理论，建立了该桥式起重机的起升机构、小车运行和大车 运行的动力学模型，并进行了动力学理论计算。 ( 2 ) 借助s o l i d w o r k s 和a d a m s 平台，建立了桥式起重机起升机构的虚拟样机 模型，并进行了动态仿真，对仿真的曲线结果进行了动态分析。 ( 3 ) 借助s o l i d w o r k s 和a d a m s 平台，建立了桥式起重机小车运行和大车运行 的虚拟样机模型，并进行了小车单独运行和整机运行的动态仿真，对小车单独运 行和整机运行的仿真曲线结果进行了分析和比较。 总之，本文对基于虚拟样机技术的桥式起重机动力学仿真的研究，为桥式起 重机的动态结构设计提供了科学合理的依据。 关键词：桥式起重机；虚拟样机技术；a d a m s ；起升机构；运行机构 a b s t 眦硕士论文 a b s t r a c t b r i d g ec 啪ei sav e r yi m p o r t 觚te q u i p m e n t 、m c hi su s e dt 0a c l l i e v et l l ea u t o m a t i o na i l d m e c h a n i z a t i o ni i lt h ef i e l do fl i r i n g 缸肌s p o n 纰i o na 1 1 dp r o d u c t i o np r o c e s si i l l em o d e m i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i ti su s e di nw o r k s h o pa 1 1 dw a r e h o u s ei i lo r d e rt oh o i s tt l l em a t e r i a l a n d “sa l s o 谢d e l yu s e di 1 1t h ec h e i i l i c a li n d u s n y ，t 1 1 er a i l 、v a y 仃a f j f i c ，i n d u s t r i a l 孤dm i n i n g e n t e 印r i s e s ，p o r t sa 1 1 dl o g i s t i c sd e p a n i l l e n t si 1 1o u t s i d e 灿o n g 谢mt l l ed e v e l o p m e n to f s c i e n c e a i l dt e c l m o l o g y ，n l er e q u i r e m e m so ft l l ec r a n ei sa l s ob e c o m i i l gm o r ea 1 1 dm o r eh i g h e r t h e t r a d i t i o n a l 啦雠i c 觚a l y s i sa i l d s t a t i cd e s i g nm e t h o dc 趾i tm e e tm ed e m 锄do f l er a p i d d e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i 甜d e s i 印s oi th 邪池m e l yv i t a ls i g n i f i c a l l c et 0u s et h e v i n l 丑a lp r o t o t ) ，p i n gt e c h i l o l o g yt 0p r o c e e dt h ed y n 锄i cs i m u l a t i o na 1 1 dd y n 锄i ca n a l y s i sa b o u t t h eb r i d g ec r a r 屺sv a r i o u sm e c h a l l i s m s f r o mm ed y n 锄i cs i m u l a t i o na n dd y n 锄i c 卸m y s i s ， w ec 觚o b t a i ni t sw o 幽n gd y n a l l l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dm el a w o fl o a dc i 姗g e s 、析t ht i m e s o i t si m p o r t a n tf o rt h ed e s i g n 锄di m p r 0 v e m e n to f t h eb r i d g ec m e n l er e s e a r c h m lo b j e c to fm i sp a p e ri sa5 0 10t o n sd o u b l eg i r d e rc r a n e w i t ht h ea j do f a d 舢以sa i l ds o l i d w o r k s ，m ev i m l a lp r o t o t y p i n gt e c l l l l o l o g yl 磁i b e e nu s e dt op r o c e e d t h ed y n 锄i cs i m u l a t i o na n dd y m i r n i c 锄a l y s i sa b o u tn l eb r i d g ec m e sv a r i o u sm e c h a l l i s m s t h e no b t a j nt h ec h a l l g i n g1 1 j l e sa b o u t 砥v e l o c i 够，a c c e l e r a t i o n ，c o n t a c tf 0 r c ea n do t h e r d y n a l i l i cp e 面眦趾c e 1 1 1 er e s u l t sp r 0 v i d ee f f e c t i v e 舭o r e t i c a ib a s i sf o rm e 嘶d g ec r a n e s d e s i g l l t h ep a p e r sm a i n l ys t u d y 沁l u d e s ： f i r s t l y ，a c c o r d i n gt om ec r 觚e sd y n 撇i c st h e o 巧，e s 讪l i s hm ed 皿i i i l i cm o d e lo f b r i d g e c r a n e s h o i s t i n gm e c h a 血s m ，缸0 l l e y sm m l i l l gm e c 姗i s ma n d t h e b i g c a r s r 哪【i l i n g m e c h l i s m ，a n dt l l e np r o c e e dt h ed y n 锄i c st h e o r yc a l c u l a t i o n s e c o n d l y ，tu pn l ev i m l a l p r o t o t y p i n gm o d e lo ft l l e 晰d g ec r 觚e sh o i s t i n gm e c h a l l i s m ，a i l da c h j e v e i t sd y n 锄i c s i m u l a t i o n 丽t ht 1 1 ea i do fa d a m sa n ds o l i d w o r k s t h e na i l a l y s e 廿1 ec u r v eo ft l l e s i m u l a t i o nr e s u l t s r d l y ，s e tu p l ev i m 烈p r o t o t ) ，p i i l gm o d e lo f 仃d l l y sm 皿i n ga i l dt h eb i g c a r s 删n g a c h i e v et l l ed ”l a u 【i l i cs i m u l a t i o no fn d l l y s 删n ga l o n e 锄d 铆or u 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动态特性和相互之间的作用对起重机的运行状态安全性产生很大的影响，并且其主要零 部件承受着强烈的冲击。长期以来，传统的起重机械的校核方法和评价体系是将起重机 动态特性的问题简化为相应的静态特性来进行，即将其近似成静态的方法来进行处理， 利用一个动态系数来考虑起重机在实际运行过程的这种动态特性和动态响应。虽然这种 简化方法可以提高计算效率，使得问题简化，但是却不能准确的反应起重机的动态特性 以及实际的工况，尤其是起重机在运行过程中的一些突发状况对它工作稳定性的影响。 2 0 世纪5 0 年代以来，计算机技术的飞速发展，已经为工程的设计和分析技术带来 了深刻而全面的变革，而虚拟样机技术是随着计算机在工程上的逐渐应用而发展起来 的，它主要是一种针对产品的设计和分析进行评估的一门新技术，已经广泛的应用与机 械产品的设计领域之内。使用虚拟样机技术，可以对真实的产品从外观上、功能上和运 动上进行仿真和分析，也可以对整个机械系统进行研究和测试评估，或针对设计的某个 方面进行仿真的测试。而对于起重机械产品，引入虚拟样机技术则可以对起重机的各组 工作机构进行运动学和动力学的仿真和分析，从而评估起重机的实际运行状况。对起重 机械的虚拟仿真则是以起重机械的动力学和运动学模型为核心，充分利用c a e 领域内的 其它相关建模工具作为帮助，在协同仿真的环境下建立虚拟仿真样机的原来模型的结 构，通过对起重机虚拟样机动力学的仿真和分析研究，评估起重机运行的实际工况特性。 使用虚拟样机技术，与实际进行的试验相比较，虚拟样机技术具有更节约成本、更 加快速和更具有灵活性的优点。本研究将虚拟样机技术引入到桥式起重机的动态分析中 去，立足于对实际问题的应用，在起重机械的领域内采用虚拟样机技术，来模拟和分析 起重机械的运行工况，通过全新的分析，提高对起重机的动态分析能力，缩短起重机的 制造时间，降低起重机的设计和制造成本。 l 绪论 基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 1 2 国内外研究现状 虚拟仿真技术主要的应用领域主要涉及到工程机械、交通运输、航空航天和国防工 业等等，应用范围十分广泛。所涉及的产品从大型的推土机、挖掘机到小型的零部件， 从航行的飞机到水运的船舶轮机等等，在各领域，针对不同类型的产品，虚拟样机的运 用都为用户节约了设计制造的时间和成本。 在起重运输机械领域，国内外的高校和研究机构也对虚拟样机技术应用于起重机械 领域进行了一定的应用和推广。例如国外r a y m o n dm a i l l l i n g 、d o o r o o 硒m 乜1 等作者对 桥式起重机进行了动力学的研究，建立了起重机运行的双摆力学模型，研究了控制方式 对货物摆动的影响；国外m i c h a e l e e b e r g e r 口1 等作者利用虚拟样机技术对起重机的起升 机构进行了详细的动态分析研究；国外s o r e i l s e n h l 、s i n 曲o s e 睛1 等则重点研究了桥式起重 机运行过程中货物摇摆的定位和控制系统的研究。 在国内，对于起重机械的仿真研究则主要集中在起重机械局部工作过程中动载的仿 真研究。例如交通部水运科学研究院李益琴1 对一台2 5 0 t 的门式起重机进行了虚拟样机 建模与动力学仿真研究，对其其起升工况和大车单独运行工况进行了动力学仿真；河南 安阳钢铁集团公司张玉琴、冯山岭口1 等用振型叠加的方法获得了桥式起重机起升动态特 性的数值解，并以实例编程仿真，得到了主梁跨中处的动力响应；太原科技大学的席瑞 萍哺1 利用a n s y s 和a d a m s 建立了塔式起重机的起重吊臂和拉索的虚拟样机的模态中 性文件，进行了刚柔耦合的虚拟样机模型仿真分析，得到了关键部件的动力学变化规律。 另外，武汉理工大学机械研究所利用虚拟样机技术分析了门式起重机的动力学系统，主 要研究在施加实际作用载荷下，起重小车的速度、位移、加速度和钢丝绳内力等量值的 变化情况。 此外，目前国内外具有较厚实力的一些起重机械制造厂和相关起重机械领域的科研 机构和学校自行开发了专门用于起重机设计的某些软件，包括有门式起重机和塔式起重 机等。总的来看，此类软件的功能与内容主要表现在：确定整机的结构布置方式、确定 主要零部件的基本尺寸、确定构件的材料特性、各机构之间的的某些相互配置关系等等。 这些软件虽然可以为设计人员带来很大的方便，缩短前期的设计开发时间。但是，这类 软件的缺点也比较明显：就是对于起重机各组工作机构的动力学计算、各组机构工作之 间耦合系统的相互影响缺乏相应的分析研究。 综合考虑国内外的相关研究现状，对于受到广泛应用的桥式起重机，我们有必要应 用虚拟样机技术对其进行更完善的动力学仿真研究和分析。参照以上相关研究现状和相 关理论，应用虚拟样机技术，得到桥式起重机各主要工作机构的动态特性，为桥式起重 机的设计提供一定的参考具有重要的意义。 2 硕士论文基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 1 3 课题研究内容 本文以多体系统动力学理论为基础，以a d a m s 和s o l i d w o r k s 为主要平 台，对桥式起重机进行了各组工作机构的动力学的仿真分析，论文的主要研究内 容如下： ( 1 ) 根据起重机动力学理论，建立了桥式起重机的起升机构、小车运行机构和大 车运行机构的动力学理论模型，并进行了动力学的载荷计算。 ( 2 ) 运用s o l i d w o r k s 建立了桥式起重机起升机构的部分三维模型，然后 导入a d a m s 中，在a d a m s 中建立钢丝绳、轴套力等模型，从而建立好桥式起重机 起升机构的虚拟样机模型，并进行了动态仿真，对仿真的曲线结果进行了动态分 析。 ( 3 ) 运用s o l i d w o r k s 建立了桥式起重机小车运行机构和大车运行机构的 三维模型，然后导入a d a m s 中，根据实际工况施加约束与载荷，建立桥式起重机小车 运行机构和大车运行机构的虚拟样机模型，并进行了小车单独运行和整机运行在加速启 动、平稳运行和减速制动复杂工况下的动态仿真，对小车单独运行和整机共同运行的仿 真曲线结果进行了分析和比较。 2 虚拟样机技术和a d 灿s 软件 硕士论文 2 虚拟样机技术和a d a m s 软件 2 1 引言 虚拟样机技术( v i r t m lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 是将计算机技术成功应用于产品的设 计和制造领域内的一门高新的信息技术，是c a e 领域内的一个重要组成部分。它在计算 机三维软件中建立起机械系统的实体模型，然后对所建立的模型进行静力学、运动学或 动力学的仿真分析，从而对产品的机械性能进行分析和评估，为结构的设计和产品的制 造提供相关参考依据。而a d 蝴s 软件则是当前世界范围内应用最为广泛的虚拟样机分 析软件之一，a d a m s 软件的仿真可以用于预测和评估机械系统的动态特性、运动性能、 摩擦碰撞以及振动峰值等等。 2 2 虚拟样机技术 2 2 1 虚拟样机技术的形成和发展 在开发新产品之前，对于传统的机械设计和制造的方法，一般首先要确定产品的设 计方案，评估方案的可行性，然后才开始进行产品的结构设计，并绘制相应的产品图纸， 然后根据图纸制造出“原型机 ，即通常所说的物理样机。物理样机生产出来以后，对 其进行各种性能的测试，并与初期所设计的性能加以比较，从而发现所设计出来的物理 样机的缺点，通过这种比较来改正产品的不足，修正产品的结构等，使得该物理样机的 性能逐步达到初期设计时期望的性能。但这种设计方法存在着很多缺陷：设计成本高， 周期长：有些物理样机的实验很危险或条件不容许，如压力容器的爆炸实验等；计算的 精度不高；方法过于单一，如果要进行不同方案的比较时，工作量大。 随着信息技术的飞速发展，人们已经逐步将计算机技术作为重要的手段运用到机械 产品的设计和制造中去，以处理各种数字信息与图形信息，辅助完成产品设计、分析模 拟和评价等。虚拟样机技术是计算机在机械设计和制造等领域内不断运用并成功发展起 来的，它是一门新兴的计算机辅助工程技术。 作为一门高新的计算机技术，虚拟仿真技术在机械领域内的应用起源于对多体系统 动力学的研究，它的关键内容是机械系统的运动学、动力学相关理论。虚拟样机技术结 合了计算机的三维技术，在虚拟环境下实现机械产品外形和功能上真实的再现，以及相 关可视化的操作等。即在虚拟工作环境下建立模型，并赋予该模型实际的物理属性、动 力学初始条件和边界条件等，从而在虚拟工作环境下模拟机械系统的运行状况，获得机 械产品的特性，这种数字模型则被称为虚拟样机。 虚拟仿真技术于2 0 世纪9 0 年代初期开始发展，几十年来，其在机械产品的设计和 4 硕士论文 基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 制造过程中应用的范围也越来越广泛，应用领域也不断拓宽。其研究和应用迅速得到了 许多研究机构及软件供应商的重视，随着人民对机械系统的多体动力学分析和计算机仿 真技术研究的不断深入，机械系统的仿真技术以及机械运动学、动力学的分析与评估已 经较成熟地应用于工业的各个领域。目前，虚拟仿真技术研究的前沿越来越表现在柔性 多体动力学的建模理论、接触碰撞建模与仿真问题、d e a 方程的数值算法问题、多体系 统参数识别问题和多领域集成化仿真与控制等领域。 2 2 2 虚拟样机技术的应用 虚拟仿真技术在一些高端机械的设计、开发、生产等领域已得到了广泛应用，应用 领域涉及到工程机械、道路交通、桥梁建设、航空航天、机械制造、生物医学、电子工 程和国防工业等多个领域。 各大著名汽车公司将虚拟仿真技术引入到新产品的开发设计中，并作为新产品的更 新换代、产业结构升级、提高核心竞争力的重要手段。德国的博世汽车公司成功的将虚 拟样机的仿真和分析技术运用到汽车重要零部件的设计和分析中去，并且还成功运用在 产品的工装设计、整车的协同仿真分析等领域内。福特汽车、卡特彼勒等国外许多大型 公司都在自己新产品的设计与制造中引入了虚拟仿真技术，利用虚拟样机技术改进产品 的设计和测试，对多种设计方案进行虚拟样机的比较，从而不断提高了新产品的性能。 虚拟仿真技术的运用使得各大汽车生产和工程机械制造商获得了巨大的经济收益。 目前，在我国国内虚拟样机技术也已经逐步得到了应用和推广，涉及工程机械、汽车 制造等领域。不过从目前的国内应用的总体来看，汽车制造业领域内对虚拟样机技术的 使用则更为广泛一些。其它应用领域内，暂时还只是在初步的使用过程。虽然汽车制造 领域的使用更为广泛，但是它的发展却比较缓慢，一些公司和院所对虚拟样机的使用始 终持谨慎与试用研究阶段，未能深入的将其应用到新产品的开发与设计中去。此外，在 有些有一定科研实力的和引入虚拟样机技术比较早的单位，虚拟样机技术的使用主要用 在零部件的一些局部设计中，而对于机械系统整体的虚拟仿真与分析技术的使用则还有 待于加强和提高。其次，对于国内的一些大学和研究所来说，对虚拟样机技术的研究则 主要集中在与虚拟样机相关的数据库技术方面，如c a d c a m 技术、网络协同制造技术 等。可以说，我国对于虚拟仿真技术的应用水平和使用领域还远远低于国外。 2 3a d a m s 软件 2 3 1a d a m s 软件的介绍 a d a m s ，即机械系统动力学分析( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，该软件是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n 锄i c si n c ) 开发的虚拟样机分 析软件悖1 。目前，a d a m s 软件在世界范围内已经得到了非常广泛的应用。 2 虚拟样机技术和a d a m s 软件 硕士论文 a d 触s 软件具有丰富的约束库、零件库、运动库等，利用a d a m s 软件可以创建 虚拟的机械系统的三维模型，它的求解器所使用的方法是多体系统动力学理论，主要采 用拉格朗日方程法来建立机械系统的力学方程，从而对机械产品进行静态学、运动学以 及动力学的仿真和分析，输出速度、位移、接触力和加速度等曲线阳3 。a d a m s 软件由 5 种模块所组成，分别为接口模块、基本模块、专业领域模块、扩展模块及工具箱。人 们既可以运用基本模块对较为常见的机械产品系统进行仿真和分析，也可以使用 a d 创s 中所带的专用模块，如发动机设计模块和轿车模块等，对这些特定专业领域的 问题和机械系统进行有效的仿真和分析。 a d a m s 软件是机械系统动力学仿真和分析软件，它可以用于分析和评估机械产 品的动态特性、运动性能、摩擦碰撞以及振动峰值等等。同时，a d a m s 软件又是虚拟 仿真技术的分析和开发工具，它拥有开放性结构以及多个软件的接口，人们可以利用其 二次工具平台开发出适合本产品或本行业的专用虚拟样机的模块。 2 3 2a d a m s 软件中机械系统动力学分析及求解 对于多体系运动系统，其分析、建模和求解都是非常复杂的，但在a d a m s 中，多 体系统动力学理论的软件化实现已经完成。 a d a m s 软件中将反应刚体位置的欧拉角以及它们的质心笛卡尔坐标作为系统的广义 坐标，即g = 【x ，y ，z ，s ，日，】r ，令r = 【x ，y ，z 】r ，a = 瞳，8 ，妒】7 ，则g = 【r r ，a r 】，。定义地面 坐标系和构件的质心参照坐标系之间的坐标变幻矩阵为彳，定义一个欧拉转轴坐标系， 该坐标系到构件质心坐标的坐标变幻为b 。 构件的角速度可以表达为 w = b a( 2 1 ) a d a m s 中使用参变量心作为角速度在所定义的欧拉转轴坐标系中的分量，且 毗= 口 ( 2 2 ) 考虑到约束，在a d a m s 中采用能量形式的拉格朗日方程n 们 丢务器咐喜丑考 3 ， 上式中，各字母的意义为 g ，一广义坐标； q ，一广义力，方向为广义坐标g ，： 丁一系统的动能。其表达式为 丁= 二月r m 足+ 二a7 易r 刀口( 2 4 ) 22 a d a m s 软件中使用广义动量： 硕士论文 基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 p j 2 了 oq i 则式( 2 3 ) 中第三项可简化为约束反力： 4 2 喜t 考 所以，式( 2 3 ) 可简化为 ；，一罢：q d f o 留 将上式分别表达为转动方向和移动方向，则有： ；口一罢：q 一见p 口一_ 2 缘一 叫a ；r 一罢：级一么p r 一：一2 q r 一王) r 于是，在a d a m s 中，每个构件具有的变量为心、口、矿、r 、见， 的方程变为： ；只一罢：绋一喀p 只一_ 2 缘一 钾舟 ；。一罢：q 一见p 。一：一2 鲮一化 o q 。 y = r 坨= a 鼽庆= 丢尝，= 如m 和 所以，在a d a m s 中所建立的机械系统动力学方程为： 式中，各字母的意义为 刍一塑+ 妒：口+ m ，f ：o p 一瓦+ 叫口+ 朋1 f 。2o 妒( g ，f ) = 0 s = g 尸：望 a g f = 厂( s ，g ，f ) ( 2 _ 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 求解构件运动 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 7 2 虚拟样机技术和a d a m s 软件 硕士论文 p 一系统的广义动量；一 m 一外力的坐标转换矩阵。 将上式写成更为一般的形式： ，( g ，1 ，1 ，a ，) = 0 9 ( g ，f ) = o ( 2 1 2 ) g ( v ，g ) = o 上式中，各字母的意义为 v ，g 一广义速度矢量； a 一约束反力及作用力矢量； g 一非完整约束的方程矢量： 够一系统约束的代数方程矢量； f 一系统力学微分方程。 对于式( 2 1 2 ) 所示的机械系统动力学方程组，a d 。蝴s 采用两种方法进行求解， 第一种方法是对该微分方程组进行直接的求解，第二种求法是运用约束方程将系统的广 义坐标拆分为独立的和非独立的两套坐标，接着再转化为0 d e 方程进行求解。 2 4 本章小结 本章简略阐述了虚拟样机技术的形成和发展、在国内外的应用和它的特点，并介绍 了虚拟样机软件a d a m s 的主要特点、工作模块结构和a d a m s 软件中机械系统动力学分析 及求解的方法。 随着科学技术的飞跃发展，机械产品的外形和结构不断向创新化和多元化的方向发 展。面对这些快速发展的市场需求，企业必须尽不断自身的设计能力，降低产品的研发 成本，同时进行产品的创新设计，缩短新产品的研发周期，从而应对不断变化的市场需 求。这时，虚拟样机技术成为一种正确的选择。本课题的研究属于虚拟样机技术的研究 范畴，具体来说是基于a d 触订s 软件的桥式起重机动力学仿真分析的问题。 8 硕士论文 基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 3 桥式起重机起升机构的动力学建模与动态仿真分析 3 1 引言 起重机作为现代企业与生产中必不可少的重要设备，广泛应用于码头、室内外厂房 等货物装卸以及搬运场所。它可以有效地提高工作效率，减轻劳动者的劳动强度，降低 搬运的费用，节省成本。而桥式起重机是使用范围最广、数量最多的一种起重机械，由 于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥，故日桥式起重机。桥式起 重机一般可分为单梁桥式起重机、双梁桥式起重机、特殊专用桥式起重机和普通桥式起 重机等几种。普通桥式起重机一般由主梁、端梁、司机室、大车运行机构以及起重机小 车等部分组成。普通桥式起重机一般都是采取电力进行驱动，由司机在司机操作室内进 行运输操作，它的额定起重量最高可达到五百吨左右，跨度可长达6 0 米。 本论文研究的对象为大连起重机厂生产的一台5 0 l m 的双梁普通桥式起重机，其整 机的结构形式如下图3 1 所示，主要由主梁、端梁、横梁、小车总成、大车运行机构、 司机室等主要部件组成。 一 2 嗣 驽 及 j b 卞 l户! l ： q 刮。i 图3 1 桥式起重机概示图 1 主梁2 横梁3 司机室4 端梁5 小车6 大车运行机构 该桥式起重机的工作原理是小车上的起升机构通过卷筒、钢丝绳和吊钩等起吊装置 先把货物从地面吊起，提升至空中时制动，然后小车运行机构与大车行走机构分别实现 小车的横向与纵向的矩形空间运动，从而将货物成功的送到目的地，并将货物下放。 9 3 桥式起重机起升机构的动力学建模与动态仿真分析 硕士论文 该桥式起重机的主要性能参数如下表3 1 所示： 表3 1 桥式起重机主要性能参数 3 2 桥式起重机起升机构的结构及参数 在起重机中，用来将货物提升或下放的机械装置被称作起升机构，起升机构一般多 采用卷扬式结构。起升机构是起重机用来起吊货物的最重要的装置，其工作性能的优劣 直接影响到起重机工作的稳定性。起升机构一般由驱动装置、卷绕装置、取物装置和安 全装置组成，其中驱动装置、卷绕装置和安全保护装置是安装在起重机小车的车架上的。 驱动装置主要由主动电机、联轴器、制动器和减速器等组成。卷绕装置主要由卷筒、起 升钢丝绳和定、动滑轮组等零部件构成。取物装置常用的有抓斗、吊钩等各种不同的型 式。安全装置主要包括高度限位器、速度保护开关等。 本课题研究的起重机的起升机构采用电动机轴与卷筒轴平行布置的方式，其驱动机 构如下图3 2 所示，主要由电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩等 组成。其中，电动机、制动器、减速器和卷筒是安装在小车的小车架上的。 1 0 硕士论文 基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 23 图3 2 起升机构的结构概示图 卜电动机2 一制动器3 一减速器4 一卷筒5 一滑轮6 一钢丝绳7 一吊钩 本课题中主、副起升机构的结构形式相同，只是由于起重量不同，其相应的尺寸与 参数不同而已。故只需选定其中一个作为动力学的研究对象即可，本章选择副起升机构 作为动力学仿真研究的对象进行研究，其主要性能参数如下表3 2 所示： 表3 2 起升机构的主要性能参数 名称参数 电机功率 电机转速 减速器传动比 钢丝绳倍率 钢丝绳直径 额定起升速度 卷简直径 2 2 k w 9 6 4 r m i i l 3 1 5 6 1 4 5 m m 2 2 2 m m s 4 0 0 m m 3 3 起升机构的动力学建模及动载荷计算 本研究首先建立起升机构的动力学模型及其动力学方程，再对其进行求解，在此理 论计算的基础上再对起升机构进行动态仿真分析。 3 3 1 等效系统的质量计算 本研究利用功与能的守恒原理，将实际运动系统等效成动力学模型系统。由于质量 和刚度系统在振动过程中会产生势能和动能，即在等效过程中，保持质量和刚度系统在 等效前后的振动过程中产生的势能与动能不变即可，也可称之为质量推算法。用式子表 3 桥式起重机起升机构的动力学建模与动态仿真分析 硕士论文 不如卜所不： 1 ) 设以、以表示转动角速度为嵋、w 2 的物体的转动惯量，则该转动系统 的总的角动能e 。为： e = 三以订+ 三以嵋+ 三以谚+ ( 3 - 1 ) 若将这些转动惯量都等效到h 上，则新的等效转动惯量，为( 即将上式变形为) ： ，却以鲁+ 以争 协2 ， 根据功能原理相等，可得： 三聊。r 2 w 2 = 三( 3 3 ) 一聊r 。w = 一m 广 l j - jj 所以，该转动系统等效到转速为的物体上的等效质量为： ， 聊= 乓二坐生坐车2 上= ( 3 - 4 ) r 饼， 式中，一被等效的物体的转动半径 2 ) 设码、m ：表示平移速度为h 、v l 的物体的质量，则该平移系统的总 动能e 为： e = 三，啊评+ 三聊：v ；+ 三，他嵋+ c 3 - 5 ) 若将这些质量都等效到质量上，则新的等效质量脚为( 即将上式变形为) ： 脚= + 等+ 警+ 6 ) 3 ) 作平移运动的物体的质量等效到转动的物体的上，按刚体运动的功能原理相等 进行等效： 丢咖2 = 丢脚v 2 ( 3 - 7 ) 2 2 7 所以 ，= 脚导9 1 2 脚詈 ( 3 - 8 ) 故平移运动的物体的质量等效到转动的物体的上的质量为： 聊= 乒硼挑筹 ( 3 9 ) 聊2 7 岁1 2 脚而 。j y 夕 3 3 2 起升机构力学模型及动力学计算 在建模时考虑如下几个前提条件：第一，只考虑主梁在垂直平面内的弯曲振动，忽 硕士论文基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 略主梁水平弯曲振动的影响1 。第二，采用等效质量算法。在起升机构中，为了计算钢 丝绳载荷，将起升机构系统分为三个等效质量：第一个等效质量是钢丝绳所起吊的货物 的质量；第二个等效质量是电动机转子、卷筒和传动轴等转动零部件等效到卷筒圆周上 的质量；第三个等效质量是桥架和小车( 不含各运动的零部件) 的等效质量之和。 由起重机工作特性可知，主梁跨中位置为刚性最小处，故起升机构在跨中处的频繁 启动及制动为起重机工作的最不利工况。所以选取小车在跨中位置为研究工况，进行动 力学建模分析。基于以上2 个前提条件以及图3 2 ，又由桥式起重机的结构布置可知， 起升机构是支撑在小车架上的，小车则是支撑在桥架上。所以，可建立动力学模型如图 3 3 所示。 岛萎 可一 p 啦 图3 3 起升机构动力学模型简图 图中，各符号的意义为 一起吊货物的质量； 铂一小车( 不计起升机构中运动的零部件， 和卷简的质量) 和桥架的换算质量之和； 乙 岛三主 ； o 啦 图3 4 第三阶段动力学模型 包括电动机、联轴器、减速器、传动轴 ，l ，一起升机构中各转动的零部件质量推算到卷筒圆周上的质量之和，转动的零件 包括起升机构中电动机转子、联轴器、传动轴、减速器齿轮和卷筒； 最一主梁在跨中处( 考虑最不利工况，主梁跨中位置为其刚性最小处) 的当量刚度 系数。其计算公式为盯1 ： 毛：掣 ( 3 1 0 ) e 上式中，各符号意义为 e 一主梁的弹性模量； ，一主梁的截面惯性矩； 3 桥式起重机起升机构的动力学建模与动态仿真分析 硕士论文 一主梁的长度； 钢丝绳系统的刚度系数。其近似计算式为h 1 ： k ：型 ( 3 1 1 ) 。 厅 上式中，各符号意义为 e 钢丝绳的弹性模量，与绳结构( 股、捻制方式等) 有关； s 钢丝绳的横截面中金属的面积； 办一受力钢丝绳的总长度。 由起重机工作特性可知，从开动电机到将货物提升至目的地，共需经历九个阶段： 1 ) 第一阶段。 开动电机，起升电机开始运转，使得卷筒开始缠绕松弛的钢丝绳，直到将钢丝绳拉 直，但此时钢丝绳不受力。此时，虽然和仍然保持静止不动，但可认为此时吊钩 向上运动的速度已经等于额定起升速度值虼。 2 ) 第二阶段。 起升电机继续运转，使得钢丝绳开始受力被拉，发生弹性拉长，直到钢丝绳的弹性 拉力达到货物的重力g 为止。这一过程中，和在钢丝绳弹性力和桥架弹力作用 下产生振动的微位移，但此时货物则仍处于静止状态。动力学模型如图3 3 所示。 设最为第二阶段钢丝绳的拉力，q 为电动机的换算驱动力，五为第二阶段在竖 直方向位移，以起始位置为原点，恐为第二阶段鸭在竖直方向位移，则可建立在 第二阶段的振动微分方程为： 扰lx l = ( 屯一) 一向五 ( 3 - 1 2 ) 建立聊，在第二阶段的振动微分方程为： 工2 = q 一( 镌一j c l ) ( 3 - 1 3 ) 由于j c l 为微小位移，同时又为了简化计算，则可取：e = ( 屯一毛) 恐，联立 初始条件：当f = o 时，五( o ) = 而( 0 ) = 0 且五( o ) = 而( 0 ) = 0 ，求解得 而= 丽是病嗽一铂叫z 和s 赝h 和s 悟r 】 协m ， 而= 争c o s 层， 由于第二阶段结束时，钢丝绳的拉力等于g ，故有g = 而。 解之，求得第二阶段经历的时间为： 厶：陋甜c o s 必 ( 3 1 6 ) 厶= f 三甜c o s = 上= 【3 1 6 ) 1 、q 1 4 硕士论文 基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 故可求出第二阶段结束时铂、聊：的速度，也是第三阶段开始时、聊：的速度为： v 舔伊志c 毛瓜豳序一瓜豳序， 喊= 罢压s m 压即罢 ( 3 1 8 ) 3 ) 第三阶段，即上升离地。 则第二阶段结束时的系统状态为此时的初始状态，从吊重离地瞬间，预紧的钢丝绳 将货载猛然向上一拉，此时系统中所有质量都参与运动。由于这种突然的启动，则钢丝 绳受到的实际拉力大于货载的重力，直到的运动速度达到额定的上升速度开始匀 速上升，第三阶段结束。此阶段动力学模型如图3 4 所示。 设e 为第三阶段钢丝绳的拉力，乃为第三阶段，z l 在竖直方向位移，起始位置为 原点，如图3 4 所示。设儿为第三阶段m 2 在竖直方向位移，为第三阶段在竖直方 向位移，q 为电动机的换算驱动力，则可建立嘲在第三阶段的动力学方程为： 强m = ( 儿一) 一墨m ( 3 一1 9 ) 建立聊，在第三阶段的振动微分方程为： 删2y 2 = q 一( 儿一) 一g ( 3 - 2 0 ) 建立在第三阶段的振动微分方程为： y o = ( 咒一) ( 3 2 1 ) 其中，驱动力q 是由电动机的转矩丁( f ) 所决定的。本课题研究中，现原有的电动机 为y z r 系列的电动机转子串接起动电阻的感应电动机。为了获得较大起动扭矩、让起动 的过程更加平缓，就在转子回路串进好几级电阻，且彼此对称布置，随着转动速度的增 大，便逐步切断起动的电阻。对于该电动机，其驱动力是随电动机的速度的变化而变化 的，但我们可近似的认为这种变化率是恒定的，其变化特性如下图3 5 所示： 砌 丑 皿 d l 抽吖砂 l 肛 。 l 抽 l 图3 5 电动机的驱动转矩 由图3 5 可知，除去第i 级电阻后，电动机的驱动转矩随速度按第i + l 根特性曲线 3 桥式起重机起升机构的动力学建模与动态仿真分析硕士论文 变化，其驱动转矩与速度的关系如下n 别： m ) = k 嚣 ( 3 - 2 2 ) 由此可知驱动力与电机转速的关系。而对于本课题中的多自由度系统，若按照此法 依次建立运动方程则会具有“阻尼力 的耦合，而且应用通常的主坐标方法无法解耦。 为此，将其近似成一阶来处理，按照刚体动力学的计算，将电机的驱动转矩转化成时间 的单参变函数。设驱动机构的总转动惯量为，机构运动阻力为常数，驱动力为丁( f ) ， 则根据牛顿第二定律有： 丁( f ) = ，w + ( 3 - 2 3 ) 令闻时刻，具有初速度w 0 ，则可得： 以f ) = f 丁( f ) 4 = + ( 1 一e 弓) ( w o 一誓一) ( 3 2 4 ) 上式中，各字母的意义为： 瓦觚一在卢。时刻的驱动转矩5 一电动机的同步转速； 丁一电动机的时间常数。其计算公式为： 丁= 。，乙 对上式求导后代入式丁( f ) = ，w + 得： 丁( 力= 礓+ 【k ( 1 一杂) 一礓k 弓 ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 式中，为t = o 时刻的初速度。而由于丁( f ) 在起升机构启动这段很短的时间内随 时间变化相对较小，故可简化的取丁( f ) 常数，也即q 为常数，从而便于我们的动力学 模型的求解。 初值为：当f = o 时，咒( o ) = y 2 ( 0 ) = ( o ) = 0 且( o ) = 0 ，由第二阶段可知乃( 0 ) = k 且儿( o ) = k 。求解第三阶段系统的动力学方程，得钢丝绳在第三阶段所受到的拉力为： e = g o + ( 耽一) ：g o + 一【历习永瓦了习s i l l w f + ( g 0 一q ) c 。s w 卜g o + 跏。】 ( 3 - 2 7 ) 1 6 式中，w = 且可知货物在第三阶段的速度变化历程为： 硕士论文基于虚拟样机技术的桥式起重机动态仿真研究 哺鲰( ；) = 锵卜嚣苟l 朋o + 朋2 j 。聊2 + ，j s i n w r( 3 2 8 ) 4 ) 第四阶段，匀速上升。 第三阶段结束后，货物将达到额定上升速度圪，匀速上升。此时，钢丝绳受到的拉 力等于货载的重力g 0 ，系统趋于较稳定状态。 5 ) 第五阶段，上升制动。 当货物匀速上升到一定高度后，将进行制动，而后小车与大车开始行走，从而满足 工作需要。这种突然的制动，则会给起重机整机系