船用载货升降机动力学建模与仿真

2021-06-22王德民舒建华宁献良

机电设备 2021年2期

王德民，舒建华，宁献良

（1. 海军装备部驻上海地区第三军事代表室，上海 200031；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

船用载货升降机用于实现大型船舶中物资的垂直运输。与陆用升降机相比，船用载货升降机的特殊性在于其运行环境对升降机的动态影响。船舶在海浪中航行时，受到海浪和海风等环境因素的影响，会出现摇摆运动。舰船的摇摆运动可看作是绕质心运动的合运动。某型船用载货升降机采用电力强制式单边驱动，由4根钢丝绳同步牵引，升降平台上的导向滚轮嵌于同侧的2根导轨槽内，从而限制升降平台的横向和纵向运动。这种导向方式实现了升降平台3面开口，最大程度方便进出货，提升平台空间的利用率；然而，由于升降平台自重、额定载荷、偏载及船舶摇摆产生的附加力等形成的倾覆力矩完全通过滚轮作用于导轨上，对于导向滚轮轴、导轨的结构强度以及安装舱壁强度和刚性的要求很高。与此同时，升降平台在运行过程中受力十分复杂，传统理论算法耗时、耗力且不能准确计算升降机受力的真实情况。由此，在船舶设备轻量化趋势下，笔者利用动力学仿真技术模拟船用升降机的动态过程，对实现升降机结构的设计和优化具有显著优势。

1 升降机受力情况

船舶摇摆时，应考虑船舶运动引起的静载荷与动载荷[1]。根据文献[1]中船舶运动的分力公式，代入横纵摇角度、横纵摇周期以及升降机平台在船体的具体位置信息等数据，即可得出升降平台在船舶摇摆时产生的垂直于甲板、横向平行于甲板、纵向平行于甲板等3个方向上的静载荷和动载荷，分别为W'1、W'2、W'3，平台上货物在3个方向上的静载荷和动载荷为W1、W2和W3。升降平台在自重静动载荷分力、货物静动载荷分力、钢丝绳牵引力（T1～T4）、4个前后滚轮支反力（F1～F4）、4个左右滚轮支反力（F5～F8）的作用下处于平衡状态，受力分析如图1所示。根据静平衡公式，计算出某一时刻升降平台的受力状态。升降机在运行过程中，升降平台的位置、横摇和纵摇角度实时变化，因此，有必要进行升降机动力学仿真，了解升降机在摇摆状态下的实时受力情况。

图1 升降平台理论分析模型

2 动力学模型建立

建立升降机三维模型，简化后导入ADAMS软件，在ADAMS中对平台重心位置设置质量点，质量与平台质量相同，因此可设置升降机平台本身的质量接近于0。同理，在货物质心点处设置质量点，质量与货物载荷相同，偏载时货物重心与平台中心的偏差为深度方向和宽度方向的10%。用弹簧模拟钢丝绳时，通过设置弹簧刚度为1 150 N/mm、预载荷8 500 N来平衡平台及载荷的重量。根据实际情况，将各滚轮与导轨设置contact接触，接触设置参数为：Stiffness＝100 000；Force Exponent＝1.5；Damping＝50；Penetration Depth＝0.1。同时，考虑1.1倍的载荷系数，在载货的质心点处设置质量为4 950 kg，重心处设置质量为4 600 kg，如图2所示。

升降机中心距离船体横摇中心3 m、纵摇中心81 m，升降机最大提升高度距离横摇中心约12 m。根据横摇周期14 s、横摇角度15°、纵摇周期7 s、纵摇角度4°等参数设置，在横摇中心和纵摇重心施加正弦驱动来模拟船体的横摇和纵摇。横摇驱动为15×2π/360×sin((2π/14)×t)。纵摇驱动为4×2π/360×sin((2π/7)×t)。用1块平板沿导轨方向运动来模拟卷筒收放钢丝绳，平板的运动速度为400 mm/s。设置平台运动速度为STEP(t, 0.0 , 0.0 ,0.5 , 400.0 )，前面0.5 s作为平台震荡稳定时期。建立模型如图3所示。