（机械制造及其自动化专业论文）集装箱阻尼防摇系统的设计与研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：牡日期：窆! 竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：刁袋邋导师( 签名) ：j 叁丕! 亟日期：彳短 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 集装箱起重机在港口装卸行业的重要地位，决定了起重机设计者和使用者对 集装箱起重机装卸效率的高要求。集装箱起重机防摇装置的设计是提高集装箱起 重机装卸效率的重要途径之一。本文以臂桥架集装箱起重机吊具防摇系统为研究 对象，以“能量消耗 为突破点，引入能量消耗的因数“系统阻尼 ，得出了臂 桥架集装箱起重机吊具防摇系统的主要设计方案。 本文在研究臂桥架集装箱吊具防摇系统时，分析了防摇系统的系统激励，构 建了防摇系统的力学模型，并进行了详细的计算分析；同时运用了虚拟样机技术， 为吊具防摇系统建立了可行的虚拟样机，并得到了分析数据。对比分析结果，得 出可靠结论，为实际设计提供计算和分析支撑。 本文主要完成了如下工作： 1 分析了臂桥架集装箱起重机变幅系统特点，研究了变幅小车的运动规律， 确定了防摇系统的系统激励的求解方法； 2 寻找到了在系统中施加阻尼的有效途径，进而确定了臂桥架集装箱起重 机吊具防摇装置的可行方案； 3 基于拉格朗日原理建立防摇系统的力学模型与数学模型，确定数值求解 方法，运用v c + + 编程计算出系统解，并通过m a t l a b 绘制防摇系统曲线 进行结果对比，得出吊具防摇装置的设计参数。 4 结合三维建模软件和多体动力学软件，建立了臂桥架集装箱起重机的防 摇装置虚拟样机，并进行了多刚体动力学计算。 关键词：臂桥架集装箱起重机，系统激励，防摇理论，阻尼系统，虚拟样机。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei m p o r t a n tp o s i t i o no fc o n t a i n e rc r a n ei nt h ep o r ti n d u s t r yh a dd e c i d e dt h e f a c tt h a tt h ec o n t a i n e rc r a n em u s tb ev e r ye f f i c i e n c y t h ed e s i g no ft h ep r e v e n t i n g w a v ed e v i c ei sav e r yi m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ec r a n e i nt h i s p a p e r ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ep r e v e n t i n gw a v ed e v i c ei nt h ea r mb r i d g ec r a n ea n d d e s i g n s t h e d a m p i n gs y s t e m i nt h ec o n t a i n e rw i lt h em e t h o d so fe n e r g y c o n s u m p t i o n t h r o u g hs u c hm e t h o d s ，t h ea u t h o ro b t a i n e dt h em a i nd e s i g ns c h e m eo f t h ed a m p i n gp r e v e n t i n gw a v es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rh a v ea n a l y s e dt h eo r i g i no ft h ep r e v e n t i n gw a v e s y s t e m ，e s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c sm o d e lo ft h i ss y s t e ma n dg i v e nt h ed e t a i l e d c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o rh a v eb u i l d e dv i r t u a lp r o t o t y p eo f t h ep r e v e n t i n gw a v es y s t e ma n dg o tt h er i g h ta n a l y s i sr e s u l t s t h r o u g hc o m p a r i n g t h e s em e t h o d s ，t h ew r i t e rh a v eg o ts o m eu s e f u lr e s u l tt h a tc o u l db eu s i n gi nd e s i g n i n g a n dm a n u f a c t u r i n gt h ep r e v e n t i n gw a v es y s t e m t i l i st h e s i sh a df i n i s h e dt h e s ek i n d so f w o r k sa sf o l l o w ： 1 a n a l y s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el u f f i n gm e c h a n i s mo ft h ea r mb r i d g e c r a n e ，r e s e a r c h i n gt h em o v e m e n tr u l e so ft h ec a r , g e t t i n gt h es o l u t i o no ft h e o r i g i no ft h ep r e v e n t i n gw a v es y s t e m 2 h a df o u n dt h ee f f e c t i v ew a yt oa d dt h ed a m p i n gi nt h es y s t e ma n dg o ta g o o ds c h e m eo f t h ep r e v e n t i n gw a v es y s t e m 3 e s t a b l i s h i n gt h em e c h a n i c sm o d e la n dt h em a t hm o d e lo ft h i ss y s t e mw i t h t h el a g r a n g et h e o r y , g e t t i n gt h en u m e r i c a ls o l u t i o n 诵t l lt h ev c + + ，d r a w i n g t h ec u r ew i t ht h em a t l a b 4 e s t a b l i s h i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lw i t ht h e3 dm o d e l i n gs o f t w a r ea n d a d a m s ，f i n i s ht h ed y n a m i c sc a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：a r mb r i d g ec r a n e ，s y s t e mi n c e n t i v e ，p r e v e n tw a v et h e o r y , d a m p i n gs y s t e m ， v i r t u a lp r o t o t y p e 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论。1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 国内外现状研究2 1 3 常用防摇方法的对比分析3 1 4 起重机阻尼防摇系统。4 1 4 1 臂桥架吊具防摇系统6 1 4 2 龙门吊阻尼防摇系统6 1 5 本章小结8 第2 章集装箱起重机防摇系统激励分析9 2 1 臂桥架集装箱起重机变幅系统9 2 2 小车运动和系统激励1o 2 2 1 小车水平方向的位移研究1 1 2 2 2 小车垂直方向的位移研究1 2 2 2 3 小车速度分析1 2 2 2 4 防摇系统激励计算过程。l5 2 3 本章小结1 5 第3 章防摇系统的设计理论与模型研究1 6 3 1 机械振动与阻尼减摇1 6 3 1 1 质量元件16 3 1 2 阻尼元件1 7 3 1 3 弹性元件17 3 2 常见的非粘性阻尼分类1 7 3 2 1 流体阻尼1 7 3 2 2 库仑阻尼18 3 2 3 结构阻尼1 8 3 3 臂桥架集装箱起重机防摇系统的机构构成分析18 3 4 臂桥架集装箱起重机防摇系统模型研究2 1 i i l 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 1 拉格朗日原理2 1 3 4 2 臂桥架集装箱起重机吊具防摇系统的建模和等效处理2 2 3 5 吊具防摇系统方程求解2 4 3 5 1 多自由度系统求解2 4 3 5 2 线性变换与坐标解耦2 6 3 5 3 臂桥架集装箱起重机防摇系统的求解。2 9 3 5 4 摩擦系数和粘性阻尼的等效拟合3 3 3 6v c h 程序设计和m a t l a b 的应用3 4 3 6 1v c + + m f c 3 4 3 6 2m a t l a b 3 5 3 6 3v c + + 编程计算防摇系统减摇振动方程3 6 3 6 4m a t l a b 绘制振动曲线4 2 3 7 臂桥架集装箱起重机吊具防摇装置的减摇效果分析4 4 3 7 1 摩擦系数取值的影响4 4 3 7 2 摩擦盘半径的影响5 0 3 8 本章小结5 2 第4 章防摇系统虚拟样机计算5 3 4 1 虚拟样机技术5 3 4 1 1 虚拟样机技术一5 3 4 1 2 虚拟样机技术的研究过程和特点5 4 4 2 虚拟样机相关软件5 5 4 2 1 三维建模软件s o l i d w o r k s 5 5 4 2 2 动力学仿真软件a d a m s 5 6 4 3a d a m s 多刚体系统动力学的求解5 7 4 4 臂桥架集装箱起重机虚拟样机的实现5 9 4 2 1 小车模型的建立5 9 4 2 2 吊具及集装箱模型的建立6 0 4 2 3 钢丝绳的处理6 0 4 2 4s o l i d w o r k s 模型导入a d a m s 6 1 4 2 5 系统外部条件设定6 1 4 2 6 系统约束的创建6 1 i v 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 7 系统激励的设定6 2 4 2 8 测量目标的设定6 3 4 2 9 研究参数设计变量的设定6 3 4 5 虚拟样机研究和结果分析6 3 4 5 1 摩擦系数的影响6 3 4 5 2 摩擦盘半径的影响6 5 4 6 本章小结6 6 第5 章结论与展望6 7 5 1 本文结论6 7 5 2 本文展望6 7 致 射6 9 参考文献7 0 攻读硕士学位期间发表的论文及科研项目7 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 集装箱起重机技术已经成为现在港口装卸行业的支柱，随着集装箱起重机的 装卸效率日渐提高，如何缩短货物在物流企业的周转时间已经成为了现代化港口 装卸业的一个重要问题，也是起重机设者和生产企业要达到的最终目的。现代港 口装卸技术中，岸边集装箱的前伸距已达到7 0 m ，后伸距2 5 m ，轨距一般为 2 6 m 一3 0 m 。起升高度可达到3 5 m 一4 0 m 。现在集装箱港口用户不断追求岸边集 装箱起重机加大前后伸距、轨距和起升高度，使得集装箱起重机的主要参数之一 的速度参数都相应大大提高提高。现在，满载空载起升速度可以达到 9 0 - 1 8 0 m m i n ，小车运行速度可以达到2 4 0 m m i l l 。额定起重量达到6 5 t 一7 0 t 。 在此背景下，对于如何进一步提高集装箱起重机的工作效率显得尤为重要，而在 “提高效率”这一大课题中防摇系统的设计举足轻重。 正是由于目前起重机用户对效率的高要就，在起重机上已经出现了各种各样 的防摇装置，可以说是百花齐放。在这些防摇装置中臂桥架集装箱起重机和某龙 门吊集装箱起重机上的防摇系统特点突出，有着结构简单，减摇效果突出的特点， 而且通过简单改进就能运用到其他类型的起重机上，通用性强。正是由于阻尼防 摇系统的这些优越性，本为对其进行系统的研究，对该类防摇装置的设计推广具 有实际意义。 本文以提高起重机工作效率为根本出发点，研究起重机的运行规律和系统激 励，针对装卸货物进行定位时，因载荷摇摆不定，无法立即进行货物的装卸操作， 使工作循环周期时间加长，生产效率降低，不能满足现代企业对生产的率要求的 现象，分析了起重机在一个工作循环周期内小车和货行运动。并对货物的取和卸 过程建立模型，分析影响摇摆的因素，计算得出防摇机理，进而确定如何对阻尼 防摇系统进行设计和计算的具体参数，同时还对对起重摇防摇系统进行了虚拟样 机建模和计算。通过数学建模、v c + + 和m a t l a b 、以及虚拟样机技术的运用，为 防摇系统设计提供了一个方便快捷的设计平台，可以为实际工程设计提供了可靠 有力的数据支持。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外现状研究 防摇技术是本世纪集装箱港口的“关键技术 之一，据国内外权威报告表明 有效的防摇技术发展关系到集装箱码头的进一步发展。在起重机的实际运行过程 中，岸边集装箱起重机小车运行速度可达到18 0 m m i n 以上，在没加入减摇装置 前，小车制动之后，吊重和吊具相对水平位置的摆幅达到两米左右，有时甚至更 大。吊重的减摇时间约为3 0 s 以上。 起重机设计者在寻找减摇方法的时候一般从摇摆的起因着手，即小车在轨道 上的高速运动，当小车制动后由于惯性的作用，吊重不会立刻停止摆动而是作有 阻尼的近似衰减摆动。由于这样的原因小车的运动速度被认为是改变摆动情况的 关键，起重机设计者曾经考虑减小小车运动速度，显然这样不满足现代港口装卸 技术的要求，即高效低成本，运用减小小车速度的方法小车运动速度的降低直接 影响到了货物的搬运速度，从二直接影响了起重机的装卸效率。然而改变小车速 度这一原理也被很多设计者巧妙的运用，即在不改变小车的运动速度的情况下适 当改变小车的运动规律。在如何控制小车的运动规律这一课题上，有人给出神经 网络和模糊系统的控制解决方案。 同时有人从消耗系统能量入手，把摇摆当着是一次能量的释放，引入一个吸 收能量的装置，通过能量的不断消耗而使摆动逐渐减小，即增加系统阻尼使得能 量快速衰减的减摇机理。这种减摇机理由于针对起重机吊重摆动的核心内容入 手，有立竿见影的效果。针对这种思想，在系统中引入阻尼，有很多设计者已 经针对不同的起重机给出了不同的设计方案。这样的设计方案往往要在起重机中 加入一些外设饿装置例如：摩擦片、减摇钢丝绳等等，使不同起重机上的不同的 防摇装置具有不同的特点，给维护与保养带来新的问题与挑战。 国内外有许多对起重机的吊重摇摆进行控制的研究和仿真计算。 魏雨龙，上海海事大学，他的减摇理论是对机械减摇和控制小车速度减摇的 综合，通过对速度的控制，使得吊重相对水平位置的摆动最小，与此同时再运动 机械式减摇的方法使这种摆动快速衰减，从而得到满意的减摇效果。这种减摇方 法对小车运动规律的控制是通过加速和减速的优化使得小车的运动达到最优情 况【。 胡举喜，上海海事大学，他的减摇理论是运用模糊控制的函数对小车位置和 位置的变化，摆对吊重相对与平衡位子的摆幅和摆角进行优化，利用自学习神经 网络模糊推理系统的功能获取集装箱吊重摆动的基本规律，并反馈给小车和吊具 2 武汉理工大学硕士学位论文 的电机达最终达到减小吊重摆动的目的。然而这种减摇方法只是停留在 m a t l a b 中仿真平台上进行这一过程的模拟，并未在现实中制造试验样机【2 】。 钟斌，西南交通大学，他的分析针对起重机大车小车的运动对吊具摆动的影 响，在现代控制理论的基础下分析读出了防摇系统的系统模型，该系统引入了液 压阻尼为系统阻尼并得出了系统阻尼对防摇效果的影响，并且对空载时的起重机 的减摇效果做出了分析，给出一定的结论。 周勇，武汉理工大学，运用模糊神经网络来对桥吊防摇进行模糊控制，把模 糊控制和人工神经网络论相结合，利用神经网络来实现模糊化、模糊推理及反模 糊化，使其得到更好的控制效果p j 。 1 3 常用防摇方法的对比分析 在起重机的运行过程中吊重的摆动会由于大车小车运动、起重机回转、风载 等等因素而发生摆动，这种摆动在作一定的简化后实际上是一种简单的吊重摇 摆，即产生单摆效应 4 1 。由于这种单摆效应的存在，使得吊重在小车制动后不能 立刻停止摆动，而是需要相对较长的时间来停摆，由于运输货物数量较大，使得 吊重停摆的总时间的增加超乎想象，这样起重机的工作周期大大延长，工作效率 大大降低，同时吊重的不停摆动也存在一定的安全隐患。这与当今社会对生产效 率的高要求、安全性的高要求背道而驰。因此，开发性能良好的防摇装置成为了 起重机生产商、起重机设计单位密切关注的问题，为了能更加有效地达到防摇的 目的，人们研制出各种各样的吊具防摇方法。 现在的起重机行业中常见的防摇方式有：机械、液压、电子、手动等方式。 手动式防摇方法，即司机开车或倒车防摇，在生产现场是一种常见的减摇手段。 在小车到达目标位置时，司机通过对小车的操作使小车反向运动，此时吊具会由 于两个方向的牵引力，即向前的惯性力和小车向后的拉力，两种力行成的两种运 动相互抵消达到减摇的目的。这种摆动方式的缺点是司机神经高度紧张电器元件 受到的冲击力较大，寿命大大降低。 机械式防摇方法，是指运用机械原理减摇和防摇分为刚性和挠性二大类，主 要有刚性导筒制动、分离台车和倒八字绳三种。 刚性导筒制动防摇机构，据吊具大小装由单导筒或双导简，运用导筒和小车的刚 性和吊具所受的水平力相抵消，这样能有效降低吊具和载荷的摇摆。不需要等待 吊具的停摆时间，因而生产率得以提高。但此装置机构较复杂、重量比较大和维 3 武汉理工大学硕士学位论文 修困难。 分离台车式机械减摇机构，运用于港口起重机，减摇机构由分离台车系统和 机械阻尼系统组成。起重机小车由小车架和减摇平衡装置组成，减摇平衡架通过 铰轴可以沿着海陆侧方向摆动。该防摇系统在国外港口起重机上运用较多。但该 系统结构复杂，液压系统维护成本过高。 电子式防摇与手动式防摇原理相近，区别在于利用电子控制系统取代手动方 式改变制动电机的输出力矩，该方法需要将非线性问题简化为线性问题或准线性 问题，因此较繁琐，其应用受到限制，并且出错率较高。 倒八字绳系防摇机构简单、经济、可靠，很多国家早已运用在不同类型的起 重机上防摇效果良好。实际上在介绍臂桥架集装箱起重机时也对倒八绳防摇装置 的绕绳系统作了一定的应用。 前述几种防摇方式对比如( 表1 1 示) 【4 】 从对比中可以看出新型阻尼防摇系统的优越性。 表1 - 1 防摇方式对比 型式原理结构成本应用范围效果 手动式手动最简单低广差 刚性导筒式机械式、刚性较复杂高起升低较好 分离台车机械式、挠性较复杂高有限制一般( 小车维修复杂) 液压油缸液压式、挠性较复杂较高有限制好( 维修复杂) 电子式电子复杂较高有限制较好( 2 8 同场合) 倒八字机械式、挠性简单 低 较广好 阻尼式机械式、挠性最简单低、广好 从对比可以看出阻尼防摇系统性能优越，防摇理论先进，不仅胜任臂桥架集 装箱起重机的防摇任务，而且还能很好的推广倒其他桥式起重机。 1 4 起重机阻尼防摇系统 起重机吊具的摇摆大多出现在小车启动和制动时刻，在此时刻吊具和货物会 由于惯性力作用不能立刻停止现有的运动，维持现有运动的过程中由于外部作用 逐渐停止摆动，而外部作用可分为如下情况：( 1 ) 司机对于小车的起制动操作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 起重机自带控制系统对小车的操作。( 3 ) 起重机自带机构自动消耗能量。 臂桥架集装箱起重机在工作流程中，与常见的小车驱动方式有所不同，臂桥 架集装箱起重机小车的运动是在起升钢丝绳或者是补偿钢丝绳的驱动下完成的， 如图为臂桥架集装箱 集装箱起重机的起升补偿如图1 1 。 图1 1 补偿系统 基于臂桥架集装箱起重机的特点，采用小车起制动的减摇方法是不适合的， 因非常的有必要而寻找一种减摇效果明显、机构相对简单的防摇方式。设计一个 机械系统来实现防摇，其理论基础便是消耗吊具和货物的动能和势能。在常见机 械的设计过程中，为消耗能量人们提出的很多实际可行的方案，例如，在机构中 引入制动器，液压推杆等等。在此类机构设计的过程中，必须首先找到机构中的 相对位移，然后在相对位移处装入上述耗能装置，便能实现能量的消耗，达到停 止机构运动的目的。在臂桥架集装箱起重机的设计过程中发现吊具与滑轮之间存 在满足设计要求的相对位移，通过初步计算可知在该处设计阻尼能较好的提高减 摇效果。 龙门吊集装箱起重机在工作过程中，几乎可以采用现在常用的所有防摇装 置，但是在龙门起重机上引入机械式的减摇方法，特别是阻尼式的防摇系统，有 着结构简单，成本低，维修方便，减摇效果很好等特点。龙门吊的阻尼防摇系统 和臂桥架防摇系统设计的思想相同，同样以寻找机构中的相对位移为突破点，找 到相对位移后引入制动器，通过制动器消耗能量，实现减摇。但是龙门吊阻尼减 摇系统又略有不同，进行了一些改进。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 1 臂桥架吊具防摇系统 阻尼防摇系统是依据能量消耗的原则来设计的，以臂桥架集装箱起重机为 例。它的系统机构如图1 2 。 匕 滑轮 图1 2 防摇系统机构图 在小车制动减速的过程中吊具的摇摆会带来角度口的改变，角度口的改变会 因为摩擦片的存在而产生摩擦阻力从而消耗能量，达到减摇的效果。 采用阻尼防摇系统能有效减小钢丝绳缠绕的复杂程度，只需安装离合器和摩 擦片即可，机构简单，此防摇机构为本文研究重点，将在之后的章节着重展开研 究。 1 4 2 龙门吊阻尼防摇系统 轮胎式集装箱龙门起重机是后方堆场的主要装卸机械。近几年，随着港口 装卸业的发展，轨道式集装箱龙门起重机在港口的使用越来越多。其电控系统、 管理系统等机构已达到较高的港口机械水平，能较好的满足现代港口装卸的需 要。伴随着着国际集装箱运输事业迅猛发展，轨道式集装箱龙门起重机的设计 要求越来越高，这使得轨道龙门吊的设计者在堆码高度、跨度以及速度等主要 参数上 具下的 运行速 在装卸 龙门吊 性。 在 武汉理工大学硕士学位论文 消耗这一核心思想，通过在机构中寻找相对位移，在相对位移处引入库伦阻尼， 达到消耗能量这一目的。 实际上龙门吊上的阻尼减摇装置是受臂桥架集装箱起重机的吊具防摇装置 的设计启发研制的，机构布局如图1 3 所示： 啊矗虱嗍 7? 、， ? 鋈 j剖 il 。 唧i 叼 图1 3 机构布局 在寻找相对位移时，和臂桥架集装箱起重机一样，在轨道龙门吊的吊具上寻 找相对位移添加摩擦盘也是可行的方案。但是在设计该防摇机构时设计者作了出 了大胆的改变，即将相对位移的添加位置通过机构的方式作了转移。如图1 3 所 示，在吊具上通过交叉钢丝绳将吊具摆动时产生的相对位移转移到了上方的卷筒 处，同时在卷筒上添加制动器，通过制动器来消耗系统能量。如图1 4 ，龙门吊的 防摇系统主要由四部分组成：( 1 ) $ 1 j 动器；( 2 ) 钢丝绳支撑滑轮；( 3 ) 力矩电机；( 4 ) 卷筒。 图1 - 4 龙门吊的防摇系统组成 在卷筒部分通过添加单项离合器使得2 个卷筒分别只能绕一 图1 5 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章集装箱起重机防摇系统激励分析 系统激励分析是研究机械系统运动状态的根本出发点。臂桥架集装箱起重机 的吊具防摇系统的研究，是对该防摇系统机构进行简化与系统建模的过程。为了 得到正确的研究理论、减摇效果和吊具防摇系统的正确设计方法，研究系统的激 励是必须要完成的工作，本章重点研究臂桥架集装箱起重机整机机构对于防摇系 统产生的激励，为防摇系统的研究提供了理论依据。 2 1 臂桥架集装箱起重机变幅系统 为了了解吊具防摇系统的工作特性，必须明确臂桥架集装箱起重机的机构特 点，以分析吊具防摇系统的系统激励。平行四连杆臂桥架系统、活对重式臂桥架 武汉理工大学硕士学位论文 内端；在最大幅度时时小车位于桥架最外端。该臂桥架系统能够有效增大最大幅 度减小最小幅度，扩大起重机的工作范围；另外，该系统能保证货物和吊重始终 处于水平移动状态。适用于集装箱自动吊具的起升卷绕系统，如图2 2 所示： 图2 2 补偿系统 绳索式补偿系统是采用起升绳补偿、补偿绳补偿和平移小车绳补偿的组合补 偿方式，如图2 2 所示。小车绳索水平位移补偿系统有如下特点：在臂架的摆动 过程中由钢丝绳的牵引进行小车的移动，不需要小车驱动装置；货物的复合运动 能非常大地提高变幅速度；起升绳与补偿绳的分离，使得卷绕系统相对其他类型 起重机简单，避免了起升钢丝绳的多次卷绕和反复弯曲。 2 2 小车运动和系统激励 臂桥架集装箱起重机的工作及运动表明：臂桥架起重机防摇系统的激励来至 于小车的运动。 小车并不是在外部驱动的作用下完成运动的，而是在起升钢丝绳和补偿钢丝 绳的共同作用下完成前后移动的，这一特点决定在之后对防摇系统作研究的时 候，不能简单的施加一外部驱动来代替系统激励，现在我们对臂桥架集装箱起重 机的小车的运动情况作较为详细的分析以得到防摇系统力学模型的系统激励，为 之后的防摇系统的研究做好准备。 如图2 3 为臂桥架集装箱起重机的机构简图，图中描述了两个工作位置，最 大幅度和最小幅度。d l 为上拉杆的铰点，d 2 为半齿圈铰点，0 ，补偿滑轮铰点。 由图可以看出小车是在桥架轨道上相对于桥架作水平移动的，起升钢丝绳和补偿 钢丝绳的存在使得臂桥架在变幅过程中货物始终是延水平方向摆动的，平行四连 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 杆机构的存在使得桥架始终是处于平动状态，在相对于桥架静止的假设条件下， 小车的运动可以在建模过程中简单的以平移刚体代替，这一点将在吊具防摇系统 的力学模型建立过程中得以体现。 f， i ，t 乏： l ： 图2 - 3 变幅系统简图 2 2 1 小车水平方向的位移研究 设补偿绳总长由如图所示的以肋c 组成，即： l b c 。l 凸，m b + 船+ 三d c 起升钢丝总长由如图所示的o l a b c e 组成，由于在作业时o a 和a b 部分的 总长不变，即起升钢丝绳的总长为： 三中= l , z j | + 上船+ 三粥+ 三c f i n 币 当起重机运行到最小幅度时，补偿钢丝绳和起升钢丝绳的长度分别为： 砬= 疋，x m 6 + + = + + + 珞 由设计情况可知，k = ，则k ，+ + 厶c = 琵，x m b + + 珞 由主梁长度不变，可知如= 二且由图可见三d c + 鲥一l x 二一z d l - 三之；故可变 为：l o , ，m b = 三& ，m b + a s - i x ；一x o i a s = 仁仍，一三& ，) m b + l 工名一x d i ( 2 - 1 ) 式中l o , ，一三缸为补偿钢丝绳的变化量l b 以上为小车的绝对位移量，小车在桥架主梁上的相对水平位移为 武汉理工大学硕士学位论文 s 。= 忙d 3 ，一三& ，) m 。= 1 。m 。； 2 2 2 小车垂直方向的位移研究 小车垂直方向的位移与水平方向的位移的求解方法类似，可以通过起升钢丝 绳的变化来求解。在一定的工作状况下，起升钢丝绳的总长是不变的。即：k = q j | + 三仰+ l m + l c ex m q s = 三a 一+ 三么+ 三名+ 三品x m 币 由图可知：k = 匕；k = + 丛 可得： 仁0 一三o i ) + 亿品一工时) = g 凹一l a ) m 班； 式中：如一k 即为小车的垂直方向的位移h ，三0 一三掣= a i 平为起升绳的变 化量； 则： 仁0 一k 一) 一a s = a h 1 1 1 举； 即：小车的垂直方向的位移为。 h ：睦二型+( 2 - 2 ) 2 2 3 小车速度分析 小车的速度可分解为水平方向速度和垂直方向速度两个分量，分别求出水平 方向和垂直方向的分量便能求出小车的速度。 小车的水平速度为小车的水平位移对时间求导，即对( 2 1 ) 式求导： 笛= l ：m b + l x 三一x d i ( 2 - 3 ) 其中1 一i 为d 点水平速度，且i 彳二- x d i = 厶x ( 0 1 小车的垂直方向速度为小车的垂直方向位移对时间求导，即对( 2 2 ) 求导： l l ，：睦二型 ( 2 4 ) m 币 由于： 出。= l 岛，一= 厄i 了毛了了一厄j 万毛i 万 其中任意位置的l 妊为： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 三知= 厄再巧玎殴，飞) 石+ ，巩) 虻】 = ( 一砟) 2 一( 一外) 2 ( 即一) ( 一s i i l 口毛鸭) + ( 蚪一) ( 鸭c o s 口) ( 2 5 ) 在( 2 2 ) 中l 郇= 三a 一一三a i 一5 任意位置的 a _ = 厄j 了硼殴彳飞) 工= i + 彳飞) y _ 2 厄i 了毛了万 ( x a - - x t h ) ( 一s i n 口q ) + _ 一) ( 1 l q c o s 口) 】 ( 2 6 ) 式( 2 - 5 ) 和( 2 6 ) 中的毛q 鸭如图所示，由于桥架部分一直处于平动状 态，臂桥架集装箱起重机结构简图可作进一步简化如图2 4 。 图2 4 变幅机构简化图 以0 2 为坐标原点，0 为固定点，已知各杆尺寸，求0 ，口，缈之间的关系。 对上图的位置进行位置分析，列出矢量方程为： 厶+ 厶= 上d ，d + 厶 以复数形式表示为： 厶p 瑁+ 三2 e 细= k 。e n + l s e 蛔 热拇酬； 1 3 ( 2 - 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 将( 2 7 ) 按欧拉公式展开可得： l l ( c o s o + i s i n o ) + l 2 ( c o s q + i s i n c o ) = l 0 2 。( c o s , 1 , + i s i n t ) + l 3 ( c o s t z + s i n g ) 方程两边的实部虚部相等，可得方程组为： l l c o s o + l 2 c o s t p = l o , 。c o s t + l 3 c o s g r l l s i n o + l 2 s 伽伊= l o g os i n 2 + 三3 s i n a 方程组消除缈后得： 彳c o s 口+ b s i n a + c = 0 ( 2 - 8 ) 其中： a = l 0 2 0 c o s 1 , 一厶c o s o b = l d ds i n a 一厶s i n o 一 么2 + 曰2 + 3 2 一三2 2 一瓦一 蜘口= 丽1 - t a n 2 ( a 2 ) ，s i n 口= 蒜帆2 - 8 ) 啊解 口：2 砒a l l b + _ 4 a 2 f + b 2 - c 2 ( 2 9 ) 么一c 同样可解出 仂：a 化t a n 竺刍! ! ! 竺 ( 2 1 0 ) 够= a “咒a n 一一 厶一 7 彳+ 厶c o s 口 设劬口对应的角速度分别为：q 吐哆 对( 2 7 ) 的复数形式求导可得： z a a ，l e 徊+ 三2 缈2 e 印= 三，彩3 e 。口 上式两边对时求导： l l t o , i e 珀+ l i f 0 2 i e 琊= l 3 a 0 3 i e 伯 为了消除缈：上式两边同时乘以g 一妒可得： 厶q 口一+ l 2 ( 0 2 i = l 3 0 3 i e 心帕 上式按欧拉公式展开： 厶q f ( c 。s ( 矽一力+ f s i n ( p 一( 7 ) ) + l f f 0 2 i = l 3 0 , i ( c 。s ( z - 7 0 + i s i n ( a 一咖) 取实部相等可得： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 所以， l 1 0 ) 1s i n ( 8 一伊) = l 3 国3s i n ( a 一矽) 0 ) 3 ：q 。l , s i n ( a 一- v ) ( 2 1 1 ) 。厶s i n ( o r 一纠 用同样的方法消除鸭，可求出国：； co：一彩2 l 2s i n ( o - z ) 1 厶s i n ( 口。一口) 2 2 4 防摇系统激励计算过程 ( 2 - 1 2 ) 根据上面的计算分析总结出小车速度的计算过程。 已知厶杆的旋转角度9 ，旋转角速度q ，厶三：厶杆的长度，其中各杆铰点 固定且坐标确定，求小车的移动速度。 由已知条件带入( 2 。9 ) ( 2 1 0 ) 可求出口矽；由( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 可求出鹞0 ) 3 ； 将口缈鸭 f t ：t k ( 2 3 ) ( 2 4 ) 可得雠，：l ：m b + i x 二一x 。| ， l l ，：坠型 l 平 小车速度为水平速度和垂直速度的合成，则： 圪= 讴尹五f ( 2 1 3 ) 该速度吃便是本文将要研究的减摇系统的系统激励。实际上在下面做防摇 机构的分析时，如果吊重摆动最大位置防摇机构的效果满足减摇需要，则认为防 摇机构设计合理。臂桥架集装箱起重机吊重摇摆最大为最小工作幅度，则只需计 算最小工作幅度的小车的速度作为系统激励即可。 2 3 本章小结 本章以分析臂桥架集装箱起重机吊具防摇系统的系统激励为目的，引入了吊 具防摇系统的初始激励的分析。在本章中以臂桥架集装箱起重机的机构特点为出 发，分析了机构的运动特性对吊具防摇系统的激励，即小车的运动特点，得出了 具体的求解方法，为之后的吊具防摇系统提供了可靠的系统激励，同时，为分析 其他类型的起重机的防摇系统激励提供了参考与借鉴。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章防摇系统的设计理论与模型研究 如前所述，小车是在起升钢丝绳和补偿钢丝绳的共同作用下完成在桥架上的 运动的，无外部驱动，小车的运动完全取决于整机的运动情况，这使得常见的一 些在小车上施加一定作用达到防摇效果的减摇方法无计可施，例如，小车起制动 法，电子式防摇等等，因此在设计臂桥架集装箱起重机的过程中如何解决吊具的 摇摆问题，显得问题突出。在研究该课题之初看似难以解决防摇问题，在引入“减 摇就是消耗系统能量 这一核心概念后，减摇摇问题将迎刃而解。针对如何消耗 系统能量这一问题，大多数研究者都认为消耗系统能量最直接最简单的方式便是 在系统中引入阻尼。本章将针对如何引入系统阻尼达到减摇防摇目的展开研究。 为了能使设计时能较好的判断阻尼的形式，本章还对常见的阻尼进行了分类。 3 1 机械振动与阻尼减摇 机械振动理论是阻尼减摇理论的基础，物体围绕着平衡位置作往复运动或一 个系统的物理量在其平均值附近的来回变动的物理现象称为机械振动【6 1 。机械系 统或工程结构振动的产生主要是由于机械系统具有自身质量和弹性，而阻尼使振 动受到抑制或减小，质量可存储动能，弹性能存储势能，而阻尼消耗能量( 动能 和势能) 。当系统具有初始能量或者外力对系统做功，机械系统吸收外界能量获 得运动速度和动能，弹性元件存储外部能量使质量回复本来的状态，能量在系统 动能和系统势能之间转换，导致系统刚体围绕平衡位置作往复运动。如无外界力 对系统做功或能量输入输入，系统由阻尼的存在，振动现象将逐渐停止。由上述 可见，质量、弹性和阻尼是机械振动的三要素。 3 1 1 质量元件 力学模型中是被抽象为只具有质量的简单刚体称为质量元素，这种质量元素 为无体积无摩擦的刚体【6 1 。由牛顿第二定律可知，当质量元素受到外部载荷作用 时，力和加速度存关式为 f = m a ( 3 1 ) 其中中m 是刚体的质量，单位为培，对于振动系统的研究，往往从系统的 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 运动方程开始，研究系统的受力和运动得到一般方程式，来进行求解。而其中的 阻尼就是消耗系统能量的关键所在。 3 1 2 阻尼元件 阻尼元件是本文研究的重点，吊具防摇系统正是通过添加阻尼的方式完成减 摇的。力学模型中被抽象为无质量和弹性的假象元件称为阻尼元件【6 】。阻尼元件 在受到外部作用发生形变，阻尼元件产生的力为 f = 一c 宕( 3 2 ) 其中c 是阻尼系数，单位为n xm s ，阻尼可以分为粘性阻尼、库仑阻尼( 干 摩擦阻尼) 、材料阻尼、固体阻尼和相位滞后阻尼，其中粘性阻尼是线性阻尼， 是工程上常见的一种阻尼，通常在建模计算中将其他阻尼转化为粘性阻尼以方便 计算研究。其他类型阻尼是非线性阻尼，在力学模型中可以等效成线性阻尼，在 3 5 4 中着重介绍了这种等效方法。 3 1 3 弹性元件 在经典力学理论中，被抽象出来的无质量和无阻尼的假象元件称为弹性元 件【6 】。当弹性元件在系统中受到外部力时弹性元件会发生形变工，当发生形变时 弹性元件受到的力为 f = 一h( 3 3 ) 当应力超过材料屈服点或力和变形关系不满足式f = 一h ，弹性元件刚度就 不再是线性的，这时弹性元件刚度可按式七：丝掣计算。 3 2 常见的非粘性阻尼分类 为了能够在不同情况下的设计添加不同类型的阻尼以达到减摆防摇的效果， 下面就常见的阻尼类型作一定的介绍，一般的机械系统之中的阻尼可分为库仑阻 尼、流体阻尼、结构阻尼【6 】： 3 2 1 流体阻尼 物体以较大速度在粘性较小的流体中运动时，由流体介质所