基于ADAMS的门式起重机起升机构动力学分析

林海坤

（福建省特种设备检验研究院泉州分院，福建 泉州 362200）

1 引言

起重机的起升机构在起吊、下降、大小车制动时所产生的附加动载荷对钢丝绳、起升机构有一定的影响。文中通过Pro/E软件实现MG3-12A3D样机的快速建模并导入ADAMS软件，其样机模型如图1所示。运用ADAMS软件对其进行不同工况下的动力学仿真分析为整机动力学分析提供加载力的依据[1]。

图1 ADAMS环境下的样机模型

2 起重机的动力学特征及ADAMS仿真约束

2.1 起重机的动力学特征

起重机的动力学问题主要是研究起重机在工作中工况改变时整机的动力响应。由于起重机的各个机构的质量都是集中的，因此，为了对其动力学问题进一步的研究，需要把各个机构简化成单质量、二质量或者多质量系统，根据这些不同的质量系统利用动量守恒原理对其质量推算建立起重机的动力学模型进行动力学研究。

利用动量守恒原理，对物理样机系统的质量推算，在多个不同质量（机构）组成的系统中：

式中：

联立式（1）（2）得推算系统的质量为：

2.2 起重机的ADAMS仿真约束

MG3-12A3D样机在ADAMS的约束如下：

（1）主梁与支腿、支腿与下横梁采用固定副Fixed连接；

（2）大、小车轮采用圆柱副Cylindrical连接；

（3）大、小车车轮与导轨之间采用接触力Contact约束；

（4）起升机构的钢丝绳采用Bushing约束，模拟钢丝绳在运行过程中的摆动。

在ADAMS环境进行以下三种动力学仿真；

（1）大车的启动、匀速、制动；

（2）小车的启动、匀速、制动；

（3）起升机构的起升、制动、匀速。

3 起升机构在起吊工况时的动力学模型

起重机的起升机构主要由驱动装置（电机）、传动装置（减速器）、卷筒、滑轮组（钢丝绳）、取物装置和制动装置组成[2]。

起升机构在启动或者制动时的动力学模型如图2所示。

图2 起升机构在启动、制动时的动力学模型

（1）钢丝绳在起升机构起升启动和下降制动时的受力情况分析。

根据运动公式推算得钢丝绳在起升机构起升启动和下降制动时所受的弹力：

根据运动公式推算钢丝绳在起升机构起升制动和下降启动时所受的弹力：

根据所选的电动机型号推算出起升机构在上升、下降时的相关参数分别如表1所示。

设起升机构从上升启动到下降制动的整个过程为10s，则起升机构在上升时从0到额定速度的时间为0s～1.8s，匀速时间段为1.8s～7.8s，下降启动到额定速度的时间段为7.8s～10s。

将以上数据进行数据推算得式（6）：

在ADAMS中用run-time函数仿真起升机构在上升启动或者下降启动时动载荷的加载[3]。其仿真结果如图3所示。

图3 起升动载荷的函数曲线

从图3仿真结果可以看出起升机构在额载情况下，起升机构在上升启动阶段（0s～1.8s）所承载的动载荷平均值大于额定载荷，最大载荷为30212.5N；在下降启动加速阶段（7.8s～10s）所承载的动载荷的平均值小于额定载荷，最小的载荷为23327.4，但是在下降启动时起升机构受的动载荷的波动最大。

4 起升机构在小车运行时的动力学模型

起升机构在小车启动或制动时，所悬吊的重物会做类似钟摆运动[4]，其动力学模型如图4所示。

图4 小车运行机构在启动、制动时的动力学模型

根据运动公式推算重物在小车运行机构在启动或者制动时，会引起吊重物沿着小车运动方向做偏摆运动，产生偏摆运动的动载荷为：

根据所选的电动机型号推算得到该起升机构的小车在启动、制动时的相关参数如表2所示。

表2 小车在启动时的相关参数

设起升机构的小车从启动到制动整个运行过程为10s，则小车从0到额定速度的时间为0s～1.9s，制动从额定速度到0的时间为为7.2s～10s。

将以上数据推算得式（8）：

在ADAMS中用run-time函数仿真起升机构起吊的重物在小车在启动或制动时产生的偏摆载荷[5]。其仿真结果如图5所示。

图5 起升机构因小车启动、制动而产生的偏摆载荷

从图5仿真结果可以看出在小车启动阶段（0s～1.9s），起升机构承载的偏摆动载荷最大，最大载荷为1002N；在制动阶段（7.2s～10s）起升机构承载的偏摆动载荷较启动时小，最小偏载荷为678N。

5 起升机构在大车运行时的动力学模型

起升机构在在大车启动或制动时所悬吊的重物会做类似钟摆的运动[6]，其动力学模型如图6所示。

图6 大车运行机构启动、制动时起升机构的动力学模型

根据动力学分析推算大车运行机构在启动时大车运行机构弹性元件以及钢丝绳的偏摆力为：

大车运行机构制动时弹性元件以及钢丝绳的偏摆力为：

根据所选的电动机型号推算得到该大车在启动、制动时的相关参数分别如表3所示。

表3 大车机构在启动时的相关参数

设大车机构从启动到制动整个运行过程为10s，则大车从0到额定速度的时间为0s～2.3s，制动从额定速度到0的时间为为5.4s～10s。

将以上数据推算得式（11）：

在ADAMS中用run-time函数仿真起升机构起吊的重物在大车在启动或制动时产生的偏摆载荷。其仿真结果如图7、图8所示。

图7 悬吊重物因大车的启动、制动而产生的偏摆载荷图

图8 三个机构联合启动、制动时钢丝绳的拉力-时间曲线

从图7、图8仿真结果可以看出起升机构悬大车启动阶段（0s～2.3s）承载的偏摆动载荷最大，最大载荷为10000N；在大车制动阶段（6.4s～10s）起升机构承载的偏摆动载荷较启动时小，最大载荷为5000N。

6 起升机构、小车机构、大车机构等三大机构联合运行时钢丝绳的拉力——时间曲线

通过分析起升机构在以上三种独立工况下的动力学模型的基础上，对小车机构、大车机构等三大机构联合运行时的起升机构进行动力学仿真分析得出其钢丝绳的拉力-时间曲线如图8，通过仿真分析可以看出在三个机构处于启动阶段（0s～2s），钢丝绳承载的平均动载荷比额载大，最大动载荷为38000N；在制动状态阶段（6.5s～10s），钢丝绳承载的平均动载荷比吊的额载小，最小动载荷为12000N。

由结果分析可以看出，起升机构的仿真是符合实际的。对于GB/T3811—2008《起重机设计规范》中规定起升动载荷的不能超2.0。由仿真结果看，这一规定比较合理，且偏向安全。

6 结语

起重机的起升机构在起吊、下降、大小车制动时所产生的附加动载荷对钢丝绳、起升机构有较大的影响。文中建立了起升机构的动力学模型，运用ADAMS分析了起升机构在起吊、下降、大小车制动时的附加动载荷分析，并进行了起升机构、小车机构和大车机构联合制动情况下钢丝绳的拉力分析，从分析结果可以看出起升机构在各种工况下基本符合动力学理论设计计算，为整机动力学分析提供加载力的依据具有现实意义。