基于虚拟试验的造船门式起重机事故再现仿真分析

2014-08-16马峰殷晨波夏明睿

机械制造与自动化 2014年3期

马峰，殷晨波，夏明睿

(南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211816)

0 引言

起重机械具有结构复杂、起重量大、工作环境恶劣等特点，在使用过程中极容易发生事故，并且发生事故的后果极为严重[1]。我国把它与电梯等都归类于特种设备，需要专门的设备安全监督管理部门对其进行检测和维护[2]，尽管如此，还是难以避免事故的发生。因此，对起重机械事故进行再现具有非常重要的现实意义。本文以300t/43mA型双梁造船门式起重机(以下简称门机)为研究对象，基于虚拟试验，采用Pro/E建立了门机的三维实体模型，对部件施加相应的约束和载荷，建立起虚拟样机，进行了典型事故工况的动力学仿真，分析了事故过程中接触力、碰撞力、钢丝绳拉力的变化情况，帮助人们清晰的认识事故发生的过程，为造船门式起重机的安全评估技术研究提供技术支持。

1 事故再现理论和方法

设备事故再现是在事故发生后，由设备的最终位置开始，运用相关理论方法、实验数据以及专家经验建立的运动学和动力学模型往回推算，即事故后阶段、事故阶段、事故前阶段，使整个事故过程的实际情况在时间和空间上得以重现。现在使用到的事故再现方法通常有两种：1) 分析法，由事故后的状态推断事故前的状态；2) 模拟法，通过假设事故前的一系列状态，模拟在该假设条件下得到的事故结果，将该结果与实际结果做比较，将与实际结果最为接近的假设认定为事故发生前真实状态[3-4]。实际使用时通常将两者结合起来，取其各自的优势来进行事故再现。一般来说，采用分析法中的模型建立方法，通过计算来推算事故初始时各机构的速度，再结合模拟法中对现场进行分析的部分，根据专家的经验，对所得初始速度进行验证，反复比较分析得出最终的结果[5]。将事故再现的模型与方法、理论与技术研究的各方面进行归纳综合[6]，如图1所示。

图1 事故再现的理论与技术

2 门机虚拟样机模型的建立

根据门机结构特点，采用整机建模和局部建模的方式，遵循结构简化原则及结合部件特性参数的融合技术，利用Pro/E建立门机的三维几何模型，并将模型导入ADAMS中，对部件施加相应的约束和载荷，建立起虚拟样机模型，模型由主梁、刚性支腿、柔性支腿、小车、大车运行机构等组成，如图2所示。

1-小车；2-主梁；3-刚性支腿；4-大车；5-柔性支腿图2 门机虚拟样机模型

3 事故虚拟试验

3.1 事故工况描述

事故的种类有断裂、下挠、失稳和整机倾覆等，表1归纳了5种典型的事故工况，根据门机的参数设计和相应具体的工况形式，对这5种事故工况进行分析。

表1 门机典型事故工况

3.2 事故工况仿真

3.2.1 工况1(风载试验)

将大车刚性支腿端施加在车轮旋转副的驱动设为0，模拟固定，大车轮与轨道施加接触约束，其接触力曲线如图3所示。

图3 大车轮接触力曲线

由图3得到，在台风的作用下，柔性支腿端大车轮与轨道的接触力降为0，柔性支腿端抬起，刚性支腿端大车轮与轨道的接触力瞬间增大，门机逐渐向刚性支腿端横向倾覆，最终柔性支腿、刚性支腿端大车轮与轨道的接触力都为0，门机脱轨，整机发生横向倾覆。因此必须安装防风抗滑装置，而且专门的设备安全监督管理部门对其定期进行检测和维护。

3.2.2 工况2(单边制动试验)

利用IF函数在大车刚性支腿和柔性支腿端设置不同步的旋转速度，大车轮与轨道施加接触约束，其接触力曲线如图4所示。

图4 大车轮接触力曲线

由图4得到，门机在0～10 s时平稳运行，在第10 s时柔性支腿、刚性支腿端不同步，两端大车轮与轨道的接触力都逐渐变为0，门机脱轨。

3.2.3 工况3(吊物突然卸载试验)

吊物满载150t,使用step函数设置吊物载荷继续增大，电机驱动力矩也逐渐增大，钢丝绳最终疲劳断裂，利用仿真描述模拟吊物突然卸载。钢丝绳拉力、小车轮接触力、大车轮接触力的变化情况如图5～图7所示。

1) 钢丝绳拉力

图5 钢丝绳拉力曲线

由图5得到，随着吊物载荷的不断增大，钢丝绳的拉力不断增大，最终断裂，拉力变为0，重物坠落。仿真过程中，钢丝绳上的拉力最大值达到1.76×106N，而在满载平稳状态下的拉力为1.47×106 N，由此得到该工况的动载系数约为1.76/1.47=1.2。钢丝绳的动载系数可以为钢丝绳的合理选用提供参考。

2) 小车轮接触力

由图6得到，随着吊物载荷的不断增大，小车轮接触力不断增大，最终钢丝绳断裂，小车突然卸去了吊物产生的接触力，瞬间抬起，之后又落回轨道，并不断来回振荡。

图6 小车轮接触力曲线

3) 大车轮接触力

由图7得到，随着吊物载荷的不断增大，大车轮接触力不断增大，最终钢丝绳断裂，超载后突然卸载时，大车两端车轮与轨道间发生连续的跳跃碰撞，产生很大的冲击力，最终空载稳定的状态下，前端大车轮的接触力大于后端大车轮的接触力，门机有可能纵向倾覆。

图7 大车轮接触力曲线

3.2.4 工况4(吊物自由跌落后紧急制动试验)

利用step函数设置驱动力矩模拟吊物自由跌落后紧急制动，吊物在0～90s平稳起升，90～91s自由下落，91～91.2s紧急制动。钢丝绳拉力、小车轮接触力、大车轮接触力的变化情况如图8～图10所示。

1) 钢丝绳拉力

由图8得到，紧急制动时，在极短的时间内使吊物产生一个极大的向上加速度，同时门机受到一个向下的巨大惯性力。钢丝绳断裂，拉力变为0，重物坠落。仿真过程中，在钢丝绳上瞬间产生一个很大的拉力，最大值达到1.31×107 N，而在满载平稳状态下的拉力为1.47×106 N，由此得到该工况的动载系数约为13.1/1.47=8.91。