基于ADAMS集装箱起重机防摇摆柔性系统仿真分析

基于ADAMS集装箱起重机防摇摆柔性系统仿真分析

齐桂营，王 蕾

(大连华锐重工集团股份有限公司 设计研究院，辽宁 大连 116000)

摘要：采用衬套连接的方法在ADAMS软件中模拟了集装箱起重机防摇摆系统中的柔性绳索，运用宏命令实现与滑轮机构的装配，建立了防摇摆柔性系统的虚拟样机。通过动力学仿真，系统地分析了集装箱起重机小车由额定速度到静止过程中吊具及集装箱的运动特性及摆动幅度，真实反映了振动对系统的影响，为防摇摆系统优化提供理论依据。

关键词：防摇系统；起重机；虚拟样机；ADAMS；仿真

0 引言

起重机是在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，受起重机启停及加减速的影响，吊具经常随悬挂载荷摆动摇晃，不仅影响集装箱的准确定位，降低工作效率，还存在一定的安全隐患，如何高效地进行吊具的准确定位一直是设计者关注的重点问题。研究发现控制吊具的摆动是准确定位的关键，一套好的起重机吊具防摇系统不仅可以避免碰撞事故的发生，还能大大提高起重机的操作效率及安全性。目前的防摇系统大多采用机械手段消耗摆动的能量以达到最终准确定位的目的，但机械式防摇系统钢丝绳缠绕较为复杂，应用普通计算方法很难对系统进行定量的分析与研究，本文利用ADAMS软件建立了防摇系统的虚拟样机，系统地研究了小车由额定速度到静止过程中吊具及集装箱的动态特性和摆动幅度。

1 虚拟样机建模

虚拟样机主要包括滑动小车、8根钢丝绳、滑轮、吊具及集装箱。结合防摇性能仿真分析的目的对模型进行了合理的简化，将具有相同运动状态的所有模型简化为一个整体，如上部的小车钢结构及其上所附带的电机、减速机、卷筒以及所有定滑轮等建为一个整体，下部的吊具、旋转架和集装箱等建为一个整体。小车上的定滑轮与滚筒间钢丝绳一直处于张紧状态，下端集装箱摆动对其影响较小，因此分析将不考虑定滑轮与卷筒间钢丝绳。

1.1 创建几何模型

在NX 8.0中建立起重机小车机构、吊具、转向架、集装箱、卷筒、动(定)滑轮及支座的刚体模型，并进行装配，通过ADAMS接口导入刚体模型。其中，具有相同运动的小车、卷筒、定滑轮及支座作为一个整体，总重为77 t，如图1所示；吊具、转向架、集装箱及动滑轮支座为另一整体，总重为87.912 t，如图2所示。

1.2 创建滑轮绳索机构动力学模型

滑轮绳索机构是防摇系统的重要组成部分，绳索的变形及振动性能直接影响着整个系统的性能和运作。根据不同系统的需求，在ADAMS软件中利用不同的方法进行柔索建模，以最快捷、最省时的方式达到仿真要求与研究目标[1-2]。但不同绳索建模方法在建模难易程度、仿真时间及计算精度上存在一定的差异[3],本文将采用衬套连接的方式建立柔索模型，其基本思想就是将钢丝绳离散成许多小圆柱刚性体，在圆柱刚性体之间通过轴套力(Bushing)连接来近似模拟钢丝绳。当单个圆柱体相对整个钢丝绳长度很小时，钢丝绳就可以视作是连续的，采用这种方法可以比较真实地反映钢丝绳在滑轮上的缠绕，以及钢丝绳的拉伸弯曲等力学性能，仿真精度较高，是目前应用较多的一种建模方法[4-5]，但是当离散刚性圆柱体很多时，圆柱体与滑轮间的接触增多，在提高计算精度的同时会降低仿真速度，计算耗时量较大。

该门式起重机防摇系统主要由8根钢丝绳、8个动滑轮、16个定滑轮和1个卷筒组成。为保证钢丝绳缠绕部分与滑轮相切，依据滑轮内槽半径计算离散的单个小圆柱体长度为177 mm。防摇摆计算高度(即集装箱距大车轨面距离)为17 904 mm，为满足小车与吊具之间的柔性连接，需要将每根钢丝绳离散为大约210个小圆柱体，整个模型需要建立1 680个小圆柱体，并且每两个小圆柱体之间需要建立衬套力，即整个模型需要建立1 672个衬套，建模工作量大，本文采用ADAMS的宏语言命令完成柔索建模，大大提高了建模速度，同时将构建衬套连接及接触等主要输入参数定义为设计变量，便于后续修改，设计变量定义如表1所示。

表1 输入参数名称及相关设计变量定义

参数定义设计变量数值钢丝绳离散数量num200钢丝绳个数n8单个圆柱体长度(mm)len177衬套拉伸刚度(N/mm)K11,K22,K331.63×105衬套剪切刚度(N/mm)K44,K55,K665衬套阻尼系数C11～C66200接触刚度(N/mm)KK1.0×105接触阻尼系数CC50力指数DV_12.2切入深度(mm)DV_20.1

在ADAMS中通过编写宏命令流完成绳索的建模，大大加快了建模速度，宏命令绳索建模主要分为以下几个部分：①建立离散绳索，通过复制、移动小圆柱体使其一次排列成连续体，构成单条钢丝绳；②建立轴套连接，考虑到绳节之间的相对位移、转角及相互作用力，采用线性衬套连接离散的绳索，首先需要在小圆柱体的两端分别建立Marker点，然后在相邻两个Marker点之间建立衬套连接；③钢丝绳与滑轮的缠绕与装配，在进行钢丝绳缠绕滑轮之前，需将每段钢丝绳进行整体移动，将其中间某段圆柱体质心移动到与相应滑轮相切的位置，然后再执行宏命令流进行缠绕；④定义钢丝绳与动滑轮接触，由于滑轮与缠绕绳节之间发生接触，在其接触的位置就会产生接触力，接触时两个物体动量会发生突变，但位移会在很小的范围变化。ADAMS将这种接触定义为一种非线性弹簧形式，其中将接触物体的弹性模量当成弹簧刚度，将阻尼当成能量损失[6]。由于钢丝绳与滑轮相对位置保持不变，仅需对滑轮附近部分钢丝绳定义接触，以提高计算速度。

1.3 动力学分析的基本约束与运动参数

虚拟样机中各部件的运动关系通过施加基本约束和运动副来实现。该防摇系统模型中钢丝绳与定滑轮之间将采用球铰进行连接，以保证钢丝绳可以绕三个坐标轴转动；动滑轮与吊具直接采用旋转副，动滑轮绕支承轴自由转动；小车与大地之间采用滑动副。起重机防摇系统虚拟样机整体模型如图3所示。

整个虚拟样机具有重力加速度及初始额定速度2 500 mm/s，小车从额定速度均匀减速至静止所需时间为5 s，小车加速度为500 mm/s2，为保证小车按给定规律运动，在小车与地面的移动副上采用step函数施加分段的初始驱动。整个仿真过程求解时间为10 s，由于绳索与滚轮之间存在接触，为提高计算精度，设置求解步数为900步。

2 防摇系统仿真结果与分析

图4为小车及集装箱在小车运行方向的速度变化曲线。小车正常运行的速度变化曲线与预先设定的运动规律相同,在5 s内由2 500 mm/s减速至0，而吊具和集装箱的速度则随着小车速度的变化上下波动。

图5为小车及集装箱在小车运行方向的位移变化曲线。在初始5 s内小车发生移动，并在第5 s制动，随后保持不动；吊具及集装箱质心绕小车产生摆动，小车停止后集装箱的最大摆幅出现在5.6 s，最大摆动幅度为185 mm，小车停止5 s后集装箱摆动幅度为154 mm。

3 结束语

本文采用衬套连接模拟了柔性绳索，并建立了防摇摆系统的虚拟样机，通过仿真计算定量地给出了集装箱在小车停止后的最大摆动幅度，对该系统的防摇摆能力进行了评估，为后续防摇系统的改进与优化提供了理论依据。

参考文献：

[1] 方子帆,吴建华.钢丝绳类索结构模型的动力学仿真研究[J].起重运输机械,2009(2):71-75.

[2] 王定贤,殷亮.钢丝绳的建模及动力学仿真分析[J].矿山机械,2010,38(8):20-23.

[3] 许军辉,宁祎,朱邦河.基于ADAMS的缠绕类柔索建模方法研究[J].机械与自动化,2014(1):109-110.

[4] 李永波,魏禹.基于虚拟样机滑轮-绳索机构的建模及仿真分析[J].应用科技,2013,40(3):1-5.

[5] 郑世山,张亮有,符敢为,等.基于虚拟样机ADAMS的钢丝绳建模及仿真[J].机械与自动化,2012(4):26-28.

[6] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社,2008.

(英文摘要

Dynamics Simulation of Anti-swing Flexible System in Container Crane Based on ADAMS

QI Gui-ying, WANG Lei

(Design and Research Institute, Dalian Huarui Heavy Industry Group Co.,Ltd., Dalian 116000, China)

Abstract：In this paper, the virtual prototype of anti-swing flexible system in container crane is modeled by simulating the flexible ropes with bushing connection and assembling with pulley system using the macro command in ADAMS software. Through dynamics simulation, the kinetic characteristic and swing scope of hanger and container are presented in the trolley motion process from the rated speed to stationary state, which reflects the influence of vibration on the system, and provides the theoretical foundation for the optimization design of anti-swing system.

Key words：anti-swing system; crane; virtual prototype; ADAMS; simulation

文章编号：1672- 6413(2017)01- 0102- 02

收稿日期：2016- 05- 30；

修订日期：2016- 11- 24

作者简介：齐桂营(1982-)，女，吉林榆树人，工程师，博士。

中图分类号：TH21∶TP391.7

文献标识码：A