基于ADAMS的门式起重机“啃轨”现象影响因素分析

戴小琴，李 虎，柳忠良

（上海振华重工(集团)股份有限公司,上海 200125）

门式起重机在运行过程中，若车轮轮缘与轨道侧面接触，就会产生水平侧向推力，引起轮缘与轨道的摩擦及磨损，这种现象通常称为“啃轨”[1]。在正常情况下，起重机的车轮轮缘与轨道之间，应保持一定的间隙。车体在行走过程中，可能由于各种因素的影响，导致无法平衡而产生倾斜或者跑偏，车轮就无法保证在轨道面中间运行，严重时会造成“啃轨”[2～4]。

国内外在起重机“啃轨”问题研究中，多以精确控制为主要研究方向，研究如何实时调整起重机侧向偏移。

比如德国KRUPP公司设计制造了580 t/102 m造船门机自动纠偏装置[5]；

武汉科技大学谢剑刚等人设计了一套变频调速纠偏装置等[6]。

而从制造角度研究，主要是提高车架和车轮的安装精度、增加桥架结构的刚度、采用特殊车轮形状等。有时这些措施的纠偏效果，也不是很理想[7～8]。

随着起重机在各行业的广泛应用，特别是超大型万吨级起重机的使用，使得起重机自身结构在“啃轨”现象中成为需要考虑的因素。

本文以起重机结构尺寸、自身总质量和重心位置变化为研究对象，运用虚拟样机技术，通过试验设计和DOE优化分析，得到起重机结构和自身总质量在啃轨现象中的影响及敏感度。

1 试验设计分析

1.1 参数化建模

在ADAMS中定义好设计变量及其取值范围，并完成设计变量与模型参数相关联，将模型元素的参数，用设计变量来代替，此时设计变量值的变化，就会引起模型元素参数的变化，修改设计变量的值，就是修改模型元素参数的值，从而实现参数化建模[9]。

参数化建模流程图如图1所示。

图1 参数化建模流程图

在ADAMS中，将门式起重机结构尺寸和自身总质量定义为变量，需要注意的是当尺寸变化时，其自身总质量也会发生变化，为了消除设计变量之间的干扰，在结构设置定义时，赋予构件一个固定的质量，这样不论尺寸如何变化，质量一定，其产生的重力也就一定。

起重机自身总质量的变化，通过改变重力加速度来实现。变量分为轨道宽度DV_rail_depth、起重机高度 DV_stand_Height、起重机长度 DV_downboom_length和起重机自身总质量DV_weight。

对模型的特征点进行参数化处理，根据样机几何结构特点，设置若干点，这些点定义的样机的一些特殊位置，是构造其几何形体的基准点。

具体参数化设计如表1所示。

表1 参数化设计

1.2 目标函数及载荷的定义

起重机在“啃轨”过程中，必然有车轮向轨道一侧偏移的情况出现。当这个偏移量大于车轮和轨道之间的间隙，就发生“啃轨”。为了便于研究“啃轨”现象，本文通过定义起重机在行走过程中，车轮偏移量为设计目标函数，讨论此设计目标函数如何变化时，偏移量最小。

ADAMS提供4种类型力的选择：作用力，柔性连接力，特殊力和接触力。

由于起重机运行工况不同，吊重载荷也有多种情况变化。本文研究的是整机运行时的“啃轨”现象，也就是出现侧向偏移，所以在运行时，施加一个水平侧向力，来模拟吊重载荷或自然风等引起的侧向分力。

1.3 优化计算方法

参数化分析是在设计变量的基础上，将设计变量 d1，d2，…，dn作为变量，这样设计目标 Q 与 d1，d2，…，dn构成了一个函数关系

同时设计变量还要满足一定的约束方程

优化的过程，就是设计变量在满足约束方程和取值范围内，使目标设计达到最优。总体方程如下：

其中s.t.是对目标函数的约束条件，通过在ADAMS中定义边界条件来完成约束方程的建立。

1.4 求解器设置

为了有效地改变仿真步长、控制仿真精度，采用分段精度设定的求解器命令方式，具体实现命令如下：

SIMULATE/DYNAMIC,END=2.0,STEPS=2000

SAVE/SYSTEM,FILE=E:/hh/cmd/t1.sav

RELOAD/SYSTEM,FILE=E:/hh/cmd/t1.sav

SIMULATE/DYNAMIC,END=4.0,STEPS=5000

SAVE/SYSTEM,FILE=E:/hh/cmd/t2.sav

RELOAD/SYSTEM,FILE=E:/hh/cmd/t2.sav

SIMULATE/DYNAMIC,END=5.0,STEPS=3000

1.5 试验设计结果与分析

通过ADAMS/view的试验设计，研究轨道宽度DV_rail_depth、起重机高度 DV_stand_Height、起重机长度DV_downboom_length、起重机自身的总质量DV_weight在设定范围内变化时，将这些变量的取值成组，研究这些变量的不同组合，对目标函数的影响情况。仿真的结果如图2所示。

图2 试验设计结果

第一排第二幅图，是以起重机侧向偏移量为目标函数获得的曲线变化图，其余4幅图，是各个变量在取值范围内的变化曲线。

从仿真结果可以看出，在侧向偏心载荷的作用下，随着起重机高度增高、轨道宽度增宽、长度增长以及自身总质量增大，起重机的侧向偏移量趋于减少。

2DOE优化分析

2.1 DOE分析方法

（1）对每一个变量，输入最小、最大和最可能估计数据，并为其选择一种合适的试验分布模型。

（2）计算机根据上述输入，利用给定的某种规则，快速实施充分大量的随机抽样。

（3）对随机抽样的数据，进行必要的数学计算，求出结果。

（4）对求出的结果，进行统计学处理，求出最小值、最大值以及数学期望值和单位标准偏差。

（5）根据求出的统计学处理数据，让计算机自动生成概率分布曲线和累积概率曲线（通常是基于正态分布的概率累积S曲线）。

（6）依据累积概率曲线进行项目风险分析。

通过对各个设计变量的模拟计算，获得各变量的直方图，如图3所示。

图3 设计因素直方图

图3 中给出了各设计变量的均值、方差、标准差、最小值、最大值及变化范围。

2.2 DOE优化分析

在ADAMS/View中试验设计分析后，得到了各变量变化对目标函数的影响，为了能更好地了解变量的性能，有效地区分关键参数和非关键参数，将这些变量在ADAMS/Insight中进行DOE分析，评估各变量的敏感度，如图4所示。

图4 敏感度分析结果

从仿真结果可以看出，轨道的宽度DV_rail_depth敏感度最大，effect%=63%；起重机自身总质量DV_weight的敏感度比较大，effect%=45.48%；起重机长度DV_downboom_length的敏感度小，effect%=7.08%；起重机高度DV_stand_Height的敏感度最小，effect%=0.4%。

3 结束语

本文从门式起重机结构和自身总质量的角度，来研究起重机的“啃轨”现象。从分析结果表明，在合理的范围内，增大结构尺寸、增大自身总质量，会使“啃轨”现象避免或减轻；通过DOE优化分析可知，轨道的宽度和起重机自身总质量，是影响啃轨的重要因素，而起重机的高度和长度则相对影响较小。

在门式起重机实际设计过程中，在满足工况中的技术参数、工作级别、载荷、强度以及安全可靠等前提下，通过改进起重机的结构和重心位置，可以更好地避免“啃轨”现象的发生。本文为门式起重机的设计，提供一定的理论指导和技术支持作用。

[1]张质文，等.起重机设计手册[M].北京：铁道出版社，1998.

[2]李国英，孙 良.桥式起重机大车啃轨故障的分析及消除[J].中国设备工程，2001，(10)：58-59.

[3]王君实，黄乃石，梁 风.桥式起重机啃轨问题分析与检测[J].技术监督纵横，2000，(3)：43-45.

[4]徐 杰.基于ADAMS的岸边集装箱起重机结构动力学仿真研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[5]Posiadala B.Effect of Vibration in Hoist System on Dynamics of Truck Crane[J].Z.Angew Math.Mech.,1996，76(S5)：403-404.

[6]谢剑刚.起重机运行自动纠偏及治理啃道系统开发[J].工业安全与环保，2003，29(6)：55-57.

[7]Lobov,N A Masyagin,A V Dulev,I A.The Lengthening the Life of Bridge Crane Track Wheels[J].Soviet Engineering research，1989，23（1）:103-106.

[8]Towarek Z.The Dynamic Stability of a Crane Standing on Soil During the Rotation of the Boom[J].International Journal of Mechanical Sciences，1998，（40）：557-574.

[9]唐文献，李 虎.基于ADAMS的某舰炮供弹系统仿真研究[J].江苏科技大学学报，2010，24(1)：61-65.