立体车位提升系统动力学仿真及分析

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CAD／CAE／CAPP／CAM 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering) 2013年第 10期立体车位提升系统动力学仿真及分析毛君 ，路朝留 ，谢苗 ，徐金晖(1辽宁工程技术大学，阜新 123000；2沈阳黎明航空发动机集团公司，沈阳 110043)摘要：立体车位的提升系统在运行过程中不可避免的将产生振动与冲击，这些振动和冲击严重影响着设备的安全运行，为了分析提升系统的振动情况，建立立体车位提升系统的动力学模型。根据动力学模型，利用 Maflab／Simulink模块分析不同提升速度下，提升系统的振动和冲击情况，以及产生冲击的主要原因，为减小立体车位在提升过程中的振动与冲击，以及对立体车位提升系统的优化提供了相关的理论依据。

关键词：立体车位；动力学；振动；仿真中图分类号：TH113 文献标志码：A 文章编号 ：1671-3133(2013)10--0064--04Stereo parking lifting system dynamics simulation and analysisMao Jun ，Lu Chaoliu 。Xie Miao ，Xu Jinhui(1 Liaoning Technical University，Fuxin 1 23000，Liaoning，China；2 Shenyang Liming Aero—Group Corporation，Shenyang 1 10043，China)Abstract：Stereo parking lifting system in the running process，inevitable will produce vibration and shock，vibration，impact ofthese seriously affect the safe operation of equipment，in order to analyze the vibration of hoisting system，establishes the stereoparking lifting system dynamics model，according to the kinetic model，using the Matlab／Simulink module analyzes under diferentlifting speed，lifting system in vibration and shock，as well as an impact of the main reasons for the decrease in the promotionprocess three—dimensional spaces of vibration and shock，as well as the optimization of the lifting system of the three—dimensionalspaces provides the related theoretical basis.

Key words：stereo parking；dynamics；vibration；simulation0 引言随着汽车行业的发展，汽车数量越来越多，停车困难问题随之而来，为了解决这一问题，立体车位便应运而生?。目前，我国立体车位正处在发展阶段，很少有人对立体车位进行研究。立体车位提升系统的工作特点是工作时频繁启动和制动，提升系统的负载具有多变性，而且在运行过程中速度、加速度也是变化的。

尤其在启动、制动或其他工作状态突然变化时，立体车位的提升系统将产生强烈的振动和冲击，这些振动与冲击严重影响着设备的安全运行。为了减小提升系统的机械振动与冲击，本文针对提升系统在不同提升速度时立体车位的振动、冲击情况进行研究，同时也为立体车位提升系统的优化提供了相关的理论依据。

1 立体车位提升系统动力学模型的建立1．1 提升系统动力学模型的建立本文研究的立体车位提升系统采用单钢丝绳提辽宁省教育厅基金项目(12012118)64升方式，提升系统的部分工程试验样机实物图如图 1所示。

天轮机架滚筒升降装置图 1 立体车位提升系统的部分工程试验样机实物图该提升系统主要由机架、滚筒、天轮、钢丝绳和升降装置等部分组成。在立体车位提升系统中，提升速度反映了系统的实际运行速度，其振动、冲击反映了系统提升的稳定性 ，因此，通过分析提升系统的振动大小和钢丝绳的张力可以看出提升系统的运行状况。

毛君，等：立体车位提升系统动力学仿真及分析 2013年第lO期根据工程试验样机的实际情况，建立立体车位提升系统的示意图如图2a所示，简化的提升系统动力学模型如图2b所示[2-5]。图1中， 为提升速度； 为天轮与滚筒之间的距离。

x1a)提升系统示意图 b)提升系统动力学模型图2 立体车位提升系统示意图和动力学模型1．提升负载(包括滑套 、载车台板 、车)2．天轮与负载之间的钢丝绳 3．天轮4．天轮与滚筒之间的钢丝绳 5．滚筒1．2 提升系统动力学方程的建立为了简化分析 ，图 2中钢丝绳 质量用瑞利法处理 ]，将滚筒与天轮之间 的钢丝绳质量 的 1／3计人天轮中，将天轮与负载之 间的钢丝绳质量的1／3计入负载中，从而将钢丝绳简化 为没有质量的弹性体_6 J。根据达朗贝尔原理 ，建立动力学方程为 ： .

f n2Ⅱ+ l 1+ci l一 一c2X．2 ， 2 (1) 【
Mlg+M10一 1 1一cl l=Ml 1其中：M1=ml+pL(t)／3 (2)式中： 为提升负载和钢丝绳变位质量和，kg；m 为提升负载质量(包括滑套、载车台板和车)，kg；m 为天轮变位质量，kg；k。、k：均为钢丝绳的等效刚度系数，N／m；xl、 2分别为 m1、m2的线位移，m；c1、c2均为阻尼系数，N·s／m；口为提升加速度，m／s ；g为重力加速度，m／s ；p为钢丝绳的单位质量，kg／m；L(t)为天轮与提升负载之间的距离，11； 为时间变量。

由材料力学可知，钢丝绳的等效刚度k为：k=nEA／L(￡) (3)式中：尼为钢丝绳根数；E为钢丝绳弹性模量，MPa；A为钢丝绳横截面积，in 。

把式(3)、式(2)代入式(1)并化简得提升系统动力学方程为：互 =(。+g)一 — 专 —C1 ·一 C1 + ×2．1 提升系统动力学仿真结合实际参数，对提升系统进行仿真。提升负载质量 m ：2 800kg，天轮与滚筒间距离 L：1．5m，初始时提升负载与天轮间距离L(0)=2．25m，钢丝绳的弹性模 量 E=1×10 MPa，钢丝 绳 的横 截 面积 A=102mm ，钢丝绳的单位质量 P=0．932kg／In。采用Matlab／Simulink模块对提升系统在不同的提升速度下进行仿真。提升系统动力学仿真模型如图 3所示，不同提升速度的变化曲线如图4所示。

lF-3L 一I示波器2积分11圭卜L积分2 l高 益1 l[ ]一 2加常数3图3 提升系统动力学仿真模型根据图3所示仿真模型，采用 ODE45变步长仿真算法，仿真出不同提升速度下，提升系统的负载质心位置曲线如图5所示 ，绳端变形速度曲线如图6所示，钢丝绳拉力曲线如图7所示。

2．2 提升系统仿真结果分析从图5所示可以看出，在不同的提升速度下，质心位置的变化趋势一致，均是初始时系统的振动幅值较大，随着提升高度的增加，振动幅值在不断地减小，这主要是因为提升初始时，钢丝绳比较长，由式(3)可65●．。●．．． ．．．} 槛一性 增工输从阅
2013年第10期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)吕＼ 咖翅i墨§荟时间／s图4 不同提升速度的变化曲线图5 不同提升速度下负载质心位置曲线时I司／8． 图6 不同提升速度下绳端的变形速度曲线知，钢丝绳的等效刚度 k较小，随着提升高度的提升，提升钢丝绳长度在不断减小，因此，钢丝绳的等效刚度k不断增大，而钢丝绳的质量不断减小，导致提升负载质量在不断减小，因此，提升系统的振动幅值在不断减小。

由图5、图6和图7所示亦可以看出，在不同的提66Z0 H ×时间／s图7 不同提升速度下钢丝绳的拉力曲线升速度下，提升负载的质心、钢丝绳绳端变形速度和钢丝绳拉力是不一样的，但总体变化趋势一致。提升负载质心位置振幅总体趋势是减小的，但绳端变形速度不断增大，钢丝绳的拉力在不断减小。从图 7所示可以看出，在提升速度曲线 1下，加速结束(约在 2s时)、减速结束(约在 18s时)时，在提升速度曲线 2下，加速结束(约在4s时)、减速约束(约在 16s时)时，钢丝绳的拉力均存在突变情况，且在提升速度曲线1情况下，钢丝绳拉力的突变幅值较大；在匀速阶段，钢丝绳拉力在一个稳定值上下波动。而钢丝绳拉力的突变，会引起对提升系统的冲击。通过对比可能看出，提升负载质心位置的振动幅值、绳端变形速度的幅值和钢丝绳拉力突变幅值可以看出，在启动加速度小的情况下，提升系统的振动、冲击较小，即提升系统速度曲线2比提升系统速度曲线 1的情况更好。

因此，在一定的时问内，提升相同的高度，启动加速度小的情况下对提升系统的振动和冲击影响较小，可以在一定程度上改善钢丝绳的受力情况，提高立体车位在提升过程的稳定性，也可以减小立体车位在提升过程的振动，这与实际样机试验所得结果一致。

3 结语本文对立体车位的提升系统进行动力学仿真与分析，分析了不同提升速度下提升系统的振动与冲击情况。

1)建立了立体车位提升系统的动力学模型，并推导出立体车位提升系统的动力学方程。

2)在不同提升速度下，仿真出提升系统负载质心的位置、绳端变形速度及钢丝绳所受到的拉力曲线，分析了各曲线产生变化的主要原因，从而可为提升系统速度的给定提供理论依据。

(下转第 133页)O O O O O O O O 一 _s．g一／A 束续永刚：改进遗传算法的铁路机车横向减振器位置优化 2013年第 10期GADS工具箱显示了遗传算法所优化参数的最优值和适应度函数的最小值，其中参数的最优值即为优化结果，适应度函数最小数值表明参数的最优化程度。从图4中可以看出，经过300代的遗传进化，最佳适应度值稳定于 0．052。从得到的优化结果可以得知：当转向架中心距之半为 9．4m时，即两转向架相距18．8m，两横向减振器的纵向距离为 l0．01m，横向减振器垂向中心到轨面的距离为0．78m时，根据《TB／T3115-2005机车车辆动力学性能台架试验方法》规定的计算方法 ，得到车辆能达到的最大临界速度为102m／s，即367km／h，比优化前提高了约 20％。

4 结语优化设计是现代制造的重要手段，本文针对铁路机车制造过程中，减振器在整车结构中的安装位置参数优化问题，设计了改进遗传算法并应用于铁路机车横向动力学研究中，以车辆蛇行失稳临界速度为优化指标 ，设计了横向减振器位置多参数优化方案并基于Matlab进行了优化算法的实现。算法自身具有高度适应性 ，对安装位置多参数寻优问题的解决取得了良好效果。通过分析试验结果表明，该方案科学有效，能为铁路机车制造中横向减振器的安装优化提供有力支持。

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作者简介：续永刚，副教授，硕士，系主任 ，主要研究方向为机械制造与参 考 文 献： 优化设计。

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参 考 文 献：[1] 闫宏伟，潘宏侠．立体停车库在中国的发展前景[J]．建筑机械化，2004(03)：49—51.

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作者简介：毛君，教授 ，主要研究方向：机械设计与智能控制。

E mail：lc19881224### 163．corn收稿 日期 ：2013-02-25133