夹轮器抗风防滑能力试验动态仿真研究

2013-07-03吴峰崎许海翔姚文庆周建波

制造业自动化 2013年11期

吴峰崎，许海翔，姚文庆，张进，周建波

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333）

0 引言

在露天工作的大型物流装备-起重机械都要求安装有合适的抗风防滑装置，以避免在受到台风和突发的阵风袭击时，造成重大人身伤害和财产损失事故。大型设备的抗风防滑能力来源于所采用的抗风防滑装置的性能。用户在采用抗风防滑装置时，除了按照设备类别和规格合理选型并正确安装外，测试抗风防滑装置性能是否达到了设计指标也是很重要的[1～4]。

为了检测夹轨器、防风铁楔制动器和夹轮器产品的抗风防滑能力，根据我单位的起重机械抗风防滑装置试验台，模拟起重机械在工作状态下受到较大风力的阵风和非工作状态受到强风暴(台风)袭击的情况，检测这些产品的抗风防滑能力。本文结合先进的ADAMS动力学仿真软件，对抗风防滑装置中的关键设备-夹轮器在抗风防滑装置试验台的试验状况，进行动态分析研究，为实际的动态试验检测和理论分析，奠定比较好的试验比对和产品优化数据基础。

1 计算模型建立

1.1 计算物理模型

本试验台由机架、导向杆、模拟重力油缸、加载横架、连接支架、车轮架、各种制动器连接座、模拟风力油缸、液压站系统、电控测试系统等组成。试验台机架采用焊接式整体结构，由钢板焊接而成，其作用是使受力形成闭环，无需坚实的地基。

图1 防风安全装置检测试验台结构示意图

车轮架基体由钢板焊而成,其上安装两个车轮,车轮可按需要更换。液压加载油缸模拟起重机的重力通过销轴作用到车轮架和车轮上,传递两个车轮的模拟轮压。车轮架备有三个安装各种防风装置相应支架的接口。

1.2 载荷和约束力、位移计算

港口起重机工作状态防风是防止起重机在风力作用下沿大车轨道方向滑行。根据有关标准要求和工作状态起重机发生的溜车趋势，取风载荷作用方向沿着大车轨道方向且水平。

设计夹轮器试验装置时，应保证模拟起重机在非工作状态风力作用下保持不动。其中对于试验的夹轮器确定的夹紧力时，忽略制动器、坡道阻力和车轮轮缘对轨道侧面摩擦的影响，验证夹轮器产生的夹紧力：

式中：PfⅢ为非工作状态时，沿运行方向作用在起重机上的风载荷（N）；

Pm为起重机运行的摩擦阻力（N）；

l为制动器钳口中心到车轮中心的距离；

r为所制动车轮的半径。

钳口夹紧力：

式中：μ为钳口与车轮的摩擦系数，该试验的夹轮器摩擦系数为0.42，试验的夹轮器如图2所示。

kn为为安全系数。

图2 试验的夹轮器

试验的夹轮器见图2，该夹轮器应用于可用于室外大中型起重机及港口装卸机械工作状态下的防风制动和非工作状态下的辅助防风制动作用；夹轮器一般只安装在从动轮上,通过加紧车轮进行直接制动,可有效防止车轮在风力作用下滚动。它的结构特点是采用常闭式结构,安全可靠；蝶形弹簧夹紧,液压释放；备有限位开关,可与主机行走机构进行联锁保护；采用高性能无石棉摩擦衬垫,摩擦系数高且稳定。

1.3 计算工况

夹轮器设计制动能力计算公式为F=μN；其中，F为摩擦制动力；N为钳口与车轮相互作用力，即正压力；μ为摩擦因数。由设计公式可知，摩擦力与摩擦因数和正压力成正比。而夹轮器的实际制动能力与很多因数有关，而影响最大因素为钳口与车轮接触面。而夹轮器抗风防滑能力的产生是钳口压入车轮产生的夹持摩擦力，与钳口和车轮接触面积相关。假设水平风载荷的数值为30kN，用装有液压压力传感器的液压推力油缸模拟风的水平力。用液压加载油缸模拟起重机的重力为400kN，使单个车轮的轮压理论上达到200kN左右。

2 计算结果及分析

2.1 带有夹轮器的轮轨模型分析

图3 带有夹轮器的轮轨模型

为了简化分析和弄清原理，先分析夹轮器作用在防风试验装置中左面车轮上的情况，建立了带有夹轮器轮轨adams多体动力学分析模型，根据Hertz 接触理论,采用impact函数提供得非线性等效弹簧阻尼模型广义力:

式中：mF—法向接触力，单位为 N；

K（Stiffness）—Hertz 接触刚度，表示接触表面的刚度，单位为 N/mm；

iδ—接触点的法向穿透深度，单位为mm；

e（Force Exponent）—力的指数，刚度项的贡献因子；

C（Damping）—阻尼系数，单位为N.sec/mm，通常取刚度值的 0.1～1%；

Vi—接触点的法向相对速度，Vi是iδ的导数，单位为 mm/sec。

轨道固定，轮轨、夹轮器的钳块和车轮之间加了接触力，接触刚度设置为100000N/mm，接触点的法向穿透深度设置为0.01mm,阻尼系数设置为1000N.sec/mm，力的指数设置为1.5, 静摩擦系数μs为0.5，动摩擦系数μd为0.42，如图3所示。

为了让模型能静平衡，同时考虑实际情况，设置一个阶跃函数的水平推力force=step ( time, 0.01,0, 5, 30000 )，水平推力的运行曲线如图4所示。

图4 水平推力的运行曲线

根据查找该试验夹轮器的型号资料，得知其规格及技术参数中夹紧力为75kN，设置的车轮接触夹紧力力的运行曲线如图5所示。

图5 车轮接触夹紧力力的运行曲线

图6 车轮在不同工况下的质心水平波动曲线

夹轮器在加紧力为750kN时，分别在轮压为200kN (静摩擦系数μs为0.5，动摩擦系数μd为0.42时)，轮压为400kN (静摩擦系数μs为0.5，动摩擦系数μd为0.42时)，轮压为200kN，加大静摩擦系数μs为0.9，动摩擦系数μd为0.8时的车轮质心水平波动曲线如图6所示，从图中可以得知，在200kN轮压变化之间，在保证车轮不转动的情况下，车轮质心水平方向运动不大，运行10秒后才0.8mm，因为采用的impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型广义力，故可以得出结论，在以上工况下可以说是静止的，说明设置与理论分析的结果一致。

2.2 装置有夹轮器的试验轮轨模型分析

图7 抗风防滑装置试验台数学计算模型

为了准确模拟计算风载荷作用效果，建立图7所示抗风防滑装置试验台数学计算模型。x为沿着轨道方向，y为垂直轨道竖直方向，z为垂直轨道水平方向。为了求出车轮轮压，给每个车轮加上了接触约束；轨道固定，轮轨、夹轮器的钳块和车轮之间加了接触力，接触刚度设置为100kN/mm，接触点的法向穿透深度设置为0.01mm,阻尼系数设置为1000N.sec/mm，力的指数设置为1.5，静摩擦系数μs为0.5,动摩擦系数μd为0.42，根据试验装置在液压加载力为400kN，水平推力为60kN，夹轮器在夹紧时车轮不能推动的情况下，分别设置两个阶跃函数的水平推力force=step ( time, 0.01, 0, 5,30000 )，这样总共水平推力为60 kN，使之与实际相符，这样计算出来的结果才符合实际意义。

设置的车轮接触夹紧力的运行曲线如图8所示，夹紧接触力显示在75 kN左右。

图8 左右夹轮器夹紧方向接触力曲线(与夹紧力一致)

通过模型的计算结果，得到液压加压为600 kN时，左右车轮垂直方向接触力曲线，如图9所示，轮压力加上试验装置的自重，在325kN左右，这与实际情况符合。

图9 液压加压为600 kN时，左右车轮垂直方向接触力曲线

从计算的两车轮的水平接触力曲线可知，如图10所示，左车轮主要抵抗水平推力的作用力，因为左车轮在夹轮器作用下，不能转动，承受的是移动摩擦力，而右车轮没有夹轮器作用，理论上是滚动摩擦，故显示了夹轮器用于室外大中型起重机及港口装卸机械工作状态下的防风制动和非工作状态下的辅助防风制动作用，效果还是比较明显的。

图10 液压加压为60t左右车轮水平接触力曲线

图11 在不同工况时下支撑质心水平波动曲线

根据以上的分析，建立的模型计算结果符合实际，同时为了显示其他假设工况的情况和车轮运行趋势，设置了夹轮器在加紧力为75kN时, 液压整体加压为600kN，单个车轮轮压为300 kN(静摩擦系数μs为0.5,动摩擦系数μd为0.42) 时，以及整体加压为400 kN，单个车轮轮压为200 kN时，加大静摩擦系数μs为0.9，动摩擦系数μd为0.8时的车轮质心水平波动情况，同时与在整体加压为400kN，单个车轮轮压为200kN时，静摩擦系数μs为0.5,动摩擦系数μd为0.42时的工况作对比，如图11所示，在200kN轮压变化之间，在保证车轮不转动的情况下，车轮质心水平方向运动不大，运行10秒后才5mm左右，因为采用的impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型广义力，且因为该模型相对建模比较复杂，无法进行静平衡，但趋势与图6的情况是一致的，这也是为什么进行上述简化模型计算的原因，故可以得出结论，在以上工况下可以说是静止的，说明设置与实际试验及理论分析的一致性。