门座起重机变幅不平衡力矩分析*孙远韬 同济大学机械与能源工程学院 摘 要：针对MQ2535门座起重机在使用中发现的问题进行了分析，通过Ansys软件建立了有限元模型，利用MPC184单元的大位移特性，模拟了刚性梁单元和铰接单元，对门机变幅过程中的自重不平衡力矩进行了静态和瞬态仿真分析，得出在不同幅度下的不平衡力矩和水平落差，其结果与实际相符。 关键词：门座式起重机； 变幅； 平衡力矩 根据门座起重机通常的设计原则，臂架在最小幅度时应该有前倾趋势。若臂架系统自重G(b)对臂架下铰点的力矩为M(b)，活对重G(d)对臂架下铰点的折算力矩为M(d)，则不平衡力矩:M(c)=M(b)-M(d)。最小幅度时，Mmin(c)>0,即臂架不平衡力矩应该是使臂架前倾；最大幅度时，Mmax(c)<>[1]。然而，在一台MQ2535门机变幅齿条铰点维修过程中，发现该门机处于最小幅度时，松开变幅制动器，大臂继续后仰，显然此门机臂架自重平衡系统不符合通常设计原则。为了进一步了解此门机变幅机构特性，采用Ansys软件建模对其自重不平衡力矩和吊重水平位移等参数进行计算。 由于需要对整个变幅过程进行计算，故选用支持大位移选项的MPC184单元进行计算[2]。MPC184单元通过控制keyopt选项，可以模拟刚性杆、刚性梁、销轴、滑块等运动副。这里将臂架连杆系统用刚性梁单元，连杆之间铰接点采用轴销单元模拟，通过sectype和secjoint命令分别定义运动副类型和局部坐标系，同时根据厂方图纸判断各连杆重量和质心位置。在质心处建立mass21单元，并赋予质量，将其与所在连杆的任一节点建立刚性梁。 其中要注意的是，ANSYS对运动约束的处理采用拉格朗日乘子法建立的销轴单元即采用这种方法[3]；而建立刚性梁单元有缩减法和拉格朗日法两种方法，通过KEYOPT(2)最终选择使用拉格朗日法，否则会与运动副单元产生冲突。 在大臂下铰点处对施加UX，UY，UZ，ROTX，ROTY方向位移约束，通过循环语句不断改变ROTZ角度大小进行计算，并提取其支反力矩创建数据表，提取头部铰点位移计算出幅度，从而绘制幅度-不平衡力矩图(见图1)。可以看出，在幅度13 m左右臂架自重处于平衡状态，而小于平衡点幅度时，支反力矩为负，即臂架确实具有逆时针转动倾向。 为了进一步验证其正确性，采用瞬态分析方法，设定变幅时间30 s，首先对臂架下铰点施加初始角速度，再设定30 s后角度位移为其从最小仰角(最大幅度)到最大仰角(最小幅度)，从而实现臂架的变幅瞬态分析。其变幅过程中臂架下铰点的支反力矩见图2，其象鼻梁端部水平位移见图3。  图1 不同幅度下的自重不平衡力矩  图2 变幅过程中的的支反力矩 通过对比图1和图2，可知其运动过程中臂架自动平衡计算是正确的，与实际相符。象鼻梁端部的高度差为350 mm<>h]=0.02(Rmax-Rmin)=500 mm，其水平落差符合设计原则。  图3 变幅过程中水平落差 通过分析，得出了此类门机变幅过程中的运动特性，其结果可以作为此类门机使用和维修过程中的技术参考。 参 考 文 献： [1] 蒋国仁.港口起重机械[M].大连:大连海事大学出版社,1995:10-90. [2] 陈丹.弹性四连杆臂架系统的变幅过程动态仿真研究[D].武汉理工大学,2006：25-35. [3] 肖博.基于多体分析的四连杆臂架系统变幅过程研究[J].武汉理工大学学报,2010(32):74-77. 孙远韬： 201804，上海市嘉定区曹安公路4800号 Analysis of Amplitude Unbalance Moment for Portal Crane Sun Yuantao The School of Mechanic and Energy Engineering，Tongji University Abstract：The problem discovered in the using of a MQ2535 portal crane is analyzed. The finite element model is established by Ansys. Rigid beam element and hinge element are simulated by utilizing the large displacement characteristics of MPC184 element. By analyzing statics and transient simulation of the unbalanced moments of self weight in the amplitude process of portal crane, the unbalanced moment and level fall is obtained, which is coincident with the reality. Key words：portal crane; amplitude; balanced moment *基金项目：国家自然科学基金项目资助(51205292) 国家科技支撑项目资助(2014BAF08B05 ， 2015-BAF06B00) 收稿日期：2016-07-12 DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.006 |
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