桥式起重机大车运行机构动态仿真分析

杜海鹏 丁瑞敏

（河南省大方重型机器有限公司，河南 新乡 453400）



桥式起重机大车运行机构动态仿真分析

杜海鹏 丁瑞敏

（河南省大方重型机器有限公司，河南 新乡 453400）

摘 要：本文以桥式起重机作为研究对象，并应用ADAMS技术对运动过程进行仿真模拟，其结果既验证了大车运行过程中的动载计算方程，同时也再现其真实的运动情况。此外，使用SolidWorks等大型三维软件及VC++6.0等高级语言程序对其进行建模、编程和模块划分，实现了桥式起重机的参数化设计。

关键词：桥式起重机；动态仿真；动载；参数化

0. 引言

桥式起重机是目前工程机械领域里的一个重要类型，在各大行业中均有一席之地。其机构使载重小车或起重机做水平运动，以此完成搬运工作。运用机械创新设计理念和现代机械设计方法，通过三维软件的特征建模和参数化技术对其运行机构同系列产品间存在的相似功能或结构进行二次开发，完成桥式起重机运动模拟，从此实现产品的高效快速发展。桥式起重机的快速二次开发已成为新世纪发展的迫切需求。

1. 桥式起重机运行机构模块划分及系统设计构想

1.1 传动方案分析与模块划分

桥式起重机的运作机构由两个运行机构组成，他们分别是传动装置和支承装置，包括大车运行机构和小车运行机构。按照模块化的设计思路对其模块划分，其中起重机运行机构分为单主梁小车运行机构、双梁小车运行机构、分别驱动大车运行机构和集中驱动大车运行机构，而这四大机构又共同构成运行驱动装置和运行支承装置。连轴器、减速器、制动器、电动机等其他零部件主要应用了运行驱动装置，而轨道和车轮组等均衡类装置大部分则涵盖了运行支承装置。

小车采用单主梁布置，其运行机构可根据支承的形式分为3个支点（水平反滚轮式）和二支点（垂直翻滚轮式）两种。大车运作机构的传动方案分为两类：集中传动以及分别传动。而通过低速集中传动的方式来布置、运行更适合小跨度的运作机构。而在桥式起重机的重用跨度（10.5m～32m）范围内，以分别传动方式为主的布置形式足矣。对于双梁小车，集中驱动往往更合适。由于减速器的布置形式，其传动方案有两种，第一种是把减速器装在两车轮之间，第二种则将减速器安装于小车旁边，两种方案皆可对应其布置形式。

1.2 运行机构参数化设计思路

参数化设计的基本准则是首先定下传动方案，随后根据初始设计参数进行分析和计算校准，最后再对零部件的选型做抉择。这样做的原因是运行机构传动方案有多种布置形式，并且每一种形式都有着不同型号与规格的同系列零部件。对系列零部件在机构中的运行展开参数化设计，本文是以双梁桥式起重机小车在机构中的一种布置形式为典例，由自下而上的设计思路可知，建立三维模型库，而装配体模型则通过添加配合关系来构造。

MFC和ATL模板是Visual C++6.0实现COM编程的两种方式。为便于在SolidWorks环境下的使用，本文坚持以基于ATL模板的COM编程来做DLL文件的插件。

2. 运行机构系列零件模型库

软件SolidWorks是一种高端参数化设计软件，它的重要特征尺寸驱动能在本次建模中发挥重要作用。有3种途径能在环境下实现通用件、标准件等系列零件的参数化设计，他们分别是：

（1）SolidWorks提供的API接口函数编程。先由程序语言完成特征创建，使用VC++、VB等编程工具建立三维模型，进而成功完成零件的参数化设计。灵活性与通用性是这种方法的优点，但编程工作量过于繁杂让许多人都旋转放弃这种方法。

（2）SolidWorks“系列零件设计表”。在插入“系列零件设计表”之前，首先建立零件模型，随后将模型中应用的特征尺寸等参数引入Excel表格中，完成系列零件设计表之后便可生成系列零件。

（3）新参数模型——添加“配置”。步骤：①添加“配置”，确定项目名称；②实事求是，修改模型，创造出多种风格的设计作品。通过更改各类属性（如模型尺寸）以达到在单一的文件里产生出多个零件和装配体的设计。该方法操作简单，形状或结构较为复杂的产品可以通过该方法建立系列模型。

在此说明，模型库的建立主要采用配置的方式完成，是根据运行机构中零部件规格型号和形状外观所决定的，换句话说，这样的方法是针对同系列零部件提供不同的产品配置。

3. 桥式起重机大车运行机构运动模拟与仿真试验

3.1 方案确定

确立主要性能参数和起重机类型是进行桥式起重机运动模拟的关键。在此，举例：电动双梁桥式起重机。测量并确定跨度S、起升高度H、定起重量G、小车运行速度V1、大车运行速度V2、起升速度V3和起重机工作级别，之后进行起重机的零部件选用和设计。得到计算结果后，通过Solidworks对主要零部件进行装配及三维造型，并建立虚拟样机。随后，再用COSMOSMation对运动轨迹追踪进行运动干涉分析，主要分析运行机构中零部件的力矩、作用力与反作用力、速度、加速度等，从而达到分析装配体模型进行动力学和运动学的目的，并用表格、图形、动画等形式表示小车运行机构、大车运行机构及起升机构的运动模型。输出结果出来后，根据结果分析，调整修改零部件的结果材料和参数，修改之后再次反馈到原装配模型中，再次重新进行分析结果，反复步骤直至到达满意理想的设计成果为止。

3.2 建立三维模型

桥式起重机用于运动模拟的三维模型分为两大板块：零部件模型以及虚拟样机。

（1）虚拟样机

建立简单易懂框架并快速设计三维模型，同时模拟仿真小车和大车的运行情况，必要时添加适当的约束条件，侦查干涉情况，然后据实情进行真实装配，以确保运动模拟方案的可行性。这就是虚拟样机的作用，以下介绍虚拟样机装配的顺序及方法：

①首先将大车一端梁为基础部件，按顺序插入两个主梁及“三合一”驱动装置和右端梁，再以时间装配关系为依照，装配时添加合适的约束条件进行装配，这样能新建立装配体构造，建立成大车桥架及其运行机构。

②随后将小车架作为基础零件，根基实际需求和装配关系建立小车的装配体模型。

③最后再以大车车架为基础零件，大车车轮、小车架和小车车轮一次插入其中，同样，根据实际的需求和装配关系添加合适的约束条件，完成虚拟样机的建立。

（2）零部件模型

零部件的构造、组成及装配关系是零部件模型的分析三大曲。零部件选型完成后，遵循“自下而上”的设计思路添加配合各项零部件，形成三维模型式的装配体。根据在特征化三维模型的基础上建立的基本思想，适当简化零部件模型，规划零部件特征，然后忽略辅特征和次要特征，将主要特征完整反映出来。

端梁连接主梁共同构成桥架，在测定端梁和主梁的截面及尺寸后，分别建模并对其进行装配，之后再安装起重小车的轨道。降低计算程度的复杂性，简化模型的建立，使得结构更为紧凑。小车由主动车轮和浮动轴连接，运行机构采用集中驱动装置。与此同时，大车减速器直接则直接套装于主动轮轴之上，其运行机构使用“三合一”驱动装置。起重小车的联轴器、电动机、减速器及车架等部件以简易模型为宜。

3. 动态模拟

本文此次运动模拟是在COSMOSMotion的虚拟运动环境中进行。

添加适当的约束条件，使得小车与小车轨道、大车与大车轨道为平副面。随后，将大车的轨道属性设为静止，而其他部件的属性均设为运动部件。在其智能运动构建器中设置时间单位为s，力的单位为N，重力加速度为9.8N/s2，将动画时间设置为20s，动画帧数取默认值。

对小车和小车轨道、大车和大车轨道这两个运动的速度和加速度进行赋值，再进行运动仿真模拟，在此同时，于COSMOSMotionsde中输出的结果，即可完成AVI的制作。

结语

（1）以SolidWorks的三维参数化设计系统为基础，对于运行机构中的一种布置形式而言，将开发平台设为VC++6.0 的ATL模板，进行编程，系统能根据使用者输入不同的参数数据，智能化建立起重机运行机构的三维模型。将软件技术融入起重机的模型建立中，不仅能将设计效率提高翻倍，还能使设计时间即时间周期明显缩短。

（2）仿真模拟真实运动情况，检查运动干涉情况，可应用运动模拟软件对各种情况运动模拟，桥式起重机的装配样机和零部件模型可用三维软件来建立。通过这样的仿真模拟活动的运动零部件的各项性能参数数据，可在原有基础之上进一步完善和修改设计方案和参数，以此到达产品的设计质量和水平提高的目的。

（3）根据现有系统的二次改造需要参考其本身的功能性质和发展特征等具体情况，不同情况采用不同方案分析，开发的基本原则为简单、智能、现代化及高效。不断求变才能达到理想效果。

参考文献

［1］梅杰，陈定方，杨艳芳.桥式起重机参数化三维仿真技术的研究［J］.湖北工业大学学报，2009（2）：47-50.

［2］牛晓明，张亮有，宁少慧，张喆.桥式起重机运动模拟［J］.山西科技，2009（6）：146-147+151.

［3］李群力.桥式起重机整机三维参数化快速设计系统的研究与开发［D］.中北大学，2014.

［4］刘世杰.200t桥式起重机动力学分析与仿真［D］.太原科技大学，2014.

［5］龚道雄.基于SolidWorks的桥式起重机参数化设计［D］.武汉理工大学，2009.

中图分类号：TP27

文献标识码：A