起重机设计虚拟仿真技术研究

杨书强

（柳州市特种设备检验所，广西 柳州 545006）

起重机设计虚拟仿真技术研究

杨书强

（柳州市特种设备检验所，广西 柳州 545006）

随着城市工程建设的进程逐渐加深，起重机是工业生产和日常生活中常见的运输设备，起重机在一定程度上实现了生产过程的机械化和自动化。但随着科技的发展及工业生产的需求，对起重机械的要求越来越高，传统的静态设计已经难以满足使用要求。本文介绍了传统的起重机设计技术方法和虚拟仿真技术方法，在ADAMS平台上对起重机进行虚拟仿真分析和研究。

起重机械；虚拟仿真；优化设计

起重机械是工业生产以及生活中常见的运输设备，大大提高了生产效率。起重机的主体结构是多种多样的，由各种钢构件连接而成，在钢结构的不同功能部件之中有操作、驱动、控制等电气结构。如果起重机的设计和安装不科学、不合理，则在使用过程中会出现很多安全问题，如主梁折断、钢丝绳断导致的吊物坠落、吊钩破断、触电等。基于虚拟仿真的设计技术利用虚拟技术对起重机各个机构的动力学进行仿真及动态分析，得出其实际工况下的动态特性，在一定程度上优化了设计，为提高起重机质量提供了保障。

1 起重机设计技术现状

我国起重机设计发展经历了漫长的过程，从优秀的设计经验中吸取了很多宝贵的经验后，走向了自主研发和设计的道路，朝着大型化、高速化、专业化的方向迈进，降低了生产成本，提高了经济效益，并且随着计算机技术的发展，开始进入全数字化控制驱动、可编程控制、故障诊断和数据管理的技术领域。但是也存在一些问题，如核心部件的技术水平还欠缺，与国外先进技术相比，需要不断提高设计水平，收集设备的故障，不断积累经验，改进技术，，同时提高制造水平，特别是在细节精益设计上，提高技术人员的素质，研发成熟的技术投入市场，实现先进技术和产品的更新换代。

2 起重机主要部件介绍

2.1 主梁

起重机主梁按照结构类型可分为箱型梁、桁架梁、型钢梁。其中箱型梁又可分为正轨梁和偏轨梁等。桁架梁又分为角钢和圆钢两种，如果细分还是可以的。型钢梁就是工字钢梁，一般用在葫芦上。还有结合了以上类型的复合梁，比如箱型梁和工字钢就可以组成一种主梁形式（箱型梁为一个倒置的屋面，工字钢焊接在下面），这类门机在小型货场或者露天工厂比较常见。

2.2 端梁

端梁部分在起重机中有着重要的作用，它是承载平移运输的关键部件。由车轮组合端梁架组成，端梁部分主要有上盖板，腹板和下盖板组成；两段通过连接板和角钢用高强螺栓连接而成。在端梁的内部设有加强筋，以保证端梁架受载后的稳定性。端梁的主要尺寸是依据主梁的跨度，大车的轮距和小车的轨距来确定的；大车的运行采用分别传动的方案。

2.3 横梁

横梁对整个起重机的工作效率和安全运行起着至关重要的作用，横梁的跨距、形状、额定起重能力、抗弯刚度、允许的挠度、材料密度、弹性模量、安全因数等因素都对起重机的运行有影响。

2.4 小车总成

小车专为重型加工工业而制造。电机、齿轮箱和控制单元均在内部设计和制造，确保卓越的吊重性能和长使用寿命。凸缘型电机配有集成的制动器，有助于正确校准机械装置。

2.5 大车运行机构

液压或橡胶大车行走缓冲器，保护起重机和建筑物。

2.6 司机室

司机室应按人机工程学原理进行设计，整体应坚固、美观、安全、隔热、防火、防尘、全封闭。司机室设置在主梁的下方，随大车同步移动。

3 起重机虚拟仿真技术要点

仿真技术是基于计算机形成的虚拟技术，它是在计算机中生成一种模拟环境，在这个空间环境中，设计者可以进行自然交互，能够人为的对虚拟世界中的物体进行更改和操作，并为操作者提供视、听、触等感官的反馈。起重机检验技术仿真研究就是以计算机技术为基础，生成三维实体模型装备，解决了设计者难以客服的抽象思维设计，一旦发现模型有问题，就能够及时的对起重机的相关部件或设备进行修改，直观地对三维实体进行重新布局，实现实时仿真，充分利用有限的空间，可以以部件替代全机，将可预见的问题解决在设计阶段。在计算的虚拟仿真过程中，可以降低研发成本和生产成本，缩短开发周期并有效的提高研发质量。结合虚拟技术的特征可以总结出起重机设计的虚拟技术仿真技术要点。

（1）构想性。设计者能够从综合集成形成的仿真环境中定性或者定量的获得理性认识和感性认识。

（2）真实性。设计者能够作为仿真环境中的主角，并感受到模拟环境的真实性，以获得更为直观、真实的评价。

（3）交互性。仿真环境是由虚拟显示软件、输入设备、输出设备等形成的，形成的仿真环境如物理约束、建筑模型、电气线路、部件碰撞检测、动力学特征等。

4 起重机设计仿真模型建立

虚拟仿真技术（Virtual Prototype Technology）设计了计算机技术、软件工程、多体系统动力学等多门学科，其设计的关键是CAD建模、电气、机械等相关技术，其模型的建立主要是研究以下几个方面。

（1）通用参数。在ADAMS环境下建立模型分析起重机的部件动力学特征，除了研究其几何形状外，还包括材料的质量、密度、泊松比、初始位置、初始速度和运动方向等。同时再添加各部件之间的约束关系。限制某些部件之间的相对运动，以形成一个稳定的机械系统。

（2）各种约束。ADAMS可以处理四种类型的约束：约束运动、接触约束、制定约束方向和常见运动副约束。将起重机虚拟仿真样机零部件约束汇总如下：①吊钩和吊环之间的球形副连接；②吊臂通过滑轮和吊绳连接，吊臂和滑轮之间为球形副连接；③液压杆与后吊臂和机身相连，采用铰连接，使三者之间没有转角变化和相对位移；④支承垫板固定在地面上，采用固定副约束，与地面没有相对移动；⑤机身和平衡重之间也采用固定副约束，没有移动和相对位移。

（3）ADAMS力库中提供了四种类型的力：接触力、特殊力、连接力和作用力，在输入力的信息时，需要说明力的类型和力的大小、方向、力矩、作用点等。

（4）风力作用。露天工作的起重机必须考虑其受到的外界因素，尤其是在风力较强的地方实施吊装时，必须考虑风载的影响，用计算机进行模拟和计算时，应考虑风对起重机最不利方向的影响。

（5）施工作业。在起重机起吊过程中，一般吊物体都是由静止变为匀加速上升，最后为匀速上升，仿真起吊运动演示中，为了保证仿真求解的稳定性，需要在模型中插入相关函数，以保证模型中的物体能够切换不同类型的物理运动。

5 结语

联合仿真可实现机电液各子系统的参数传递，比单个系统仿真更能反映物理系统运行状态，本文对起重机进行仿真模块的分析，利用专业软件对起重机的设计进行动态模拟，研究可检验的控制方案，在计算上进行虚拟实验，研究系统的可靠性，保证产品的研发成功率。起重机设计应用上，要求设计人员在具体的工作中应分类掌握起重机的类型、应用特征 ；要注重分析与总结设计时可能存在的一些问题，在技术规范的基础上，系统的分析设计的实用性。在设计可行性控制中，对多样化的设计模式进行应用，以便提升设计工作的有效性和科学性，使起重机生产与工作的安全隐患在设计阶段就得到有效降低，确保起重机运行的安全性。

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