基于虚拟样机的起重机小车碰撞仿真试验

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

起重机小车是起重机的重要组成部分之-，主要由起升机构、运行机构、小车架以及相关安全保护装置等构成.其质量与安全性能的好坏直接关系到整个起重机的整体性能.起重机在运行过程中，-旦制动器、运行限位器等安全保护装置失效或者损坏，满载小车在高速状态下就会直接与其运行轨道上的缓冲器及端部止耽生碰撞，往往使缓冲器及端部止挡受到过大冲击载荷的作用而毁坏，直接影响起重机整体结构承载能力.更严重的是，若其反滚轮组、水平轮组、安全钩以及安全反钩等防倾覆安全装置有损坏，就可能发生小车脱离轨道倾覆坠落的事故.为防止上述事故的发生，确保起重机安全可靠地运行，对危险工况下起重机小车进行动力学仿真分析十分必要。

运用虚拟样机软件 Adams的仿真功能 J，根据设计规范 的要求，对起重机小车与其运行轨道的缓冲器及端部止挡的碰撞过程进行动力学仿真分析.通过仿真试验 ，掌握吊重、风载和运动条件等收稿日期：2013-05.04作者简介：李振林(1979-)，男，浙江北仑人，工程师，硕士，研究方向为特种设备检验、结构力学分析，(E-mail)lizhenlin1979###sohu.com第 S1期 李振林，等：基于虚拟样机的起重机小车碰茁真试验 317因素共同影响下，起重机小车整体及其重要部件的运动与受力变化曲线，分析可能发生事故的原因，并为提高起重机的安全性能提供参考。

1 起重机小车仿真模型的建立和运行工 况以某 20 t L形单主梁门式起重机小车为研究对象.该台小车属于二支点垂直反滚轮式结构，包括起升机构、运行机构、小车架及其安全保护装置等零部件.为防止倾翻坠落，该小车装设有反滚轮组、水平轮组、安全钩以及安全反钩等防倾覆安全装置。

按照 起 重 机 小 车 的设 计 图纸，运 用 Pro/ENGINEER对该小车各组成部分进行建模，并装配完成小车 CAD模型.通过 Mechanism/Pro拈导人Adams软件平台中，建立完整的三维几何模型.在Adams中，按照设备的具体实际对该三维几何模型进行合理简化，同时赋予材料质量和约束关系等，形成起重小车虚拟样机模型，见图1。

图 1 Adams环境下起重机小车虚拟样机模型Fig.1 Virtual prototype model of crane crab in Adams2 起重机小车碰撞试验仿真起重机小车碰撞试验工况为：试验前小车静止不动，先以空载(工况 A)或满载(工况 B)从静止状态开始匀加速，在设定时间(6 S)内达到运行速度(46.2 m/min)，然后以该速度匀速运动，直至与运行轨道端部止耽生碰撞.其中，试验风载大小为250 N/m ，且与小车运行方向同向；小车与运行轨道端部止挡间的碰撞刚度 K为 560 N/mm.设置仿真试验参数，实现小车与运行轨道端部止挡碰撞试验仿真，从而获得其运行速度、碰撞冲击力及相关重要部件与运行轨道间的接触力等性能参数随试验时间的变化情况。

2.1 运动速度分析运动速度的变化曲线见图2，可知小车碰撞前的运行速度与试验设定相符合，在 7.9 S时其缓冲器与运行轨道端部止耽生碰撞；碰撞后迅速反弹后退，之后再碰撞再反弹；直至碰撞和反弹的速度逐渐减小为0，静止在运行轨道上.其中，工况 A整个运行过程经历时间约6 S；工况B整个运行过程经历时间约 4 s。

E、--EE、 ，i j； Il- - - - - - 。。。- - lI.. ； jf 1 从JIl .. l- f- - - - ～ - - -- ----： il l Il 。 l时间(S)(a)工况 A。 rr、，-tfe(S)(b)工况 B图2 运动速度的变化曲线Fig.2 Variation en/'ve of velocity2.2 缓冲器与端部止挡的碰撞冲击力分析缓冲器与端部止挡间的碰撞冲击力变化曲线见图3.仿真结果表明：碰撞过程中缓冲器与运行轨道端部止挡间会产生很大的瞬时冲击力；在首次碰撞后会有连续碰撞，且碰撞冲击力迅速减小，直至消失.工况 A最大碰撞冲击力约为420 kN；工况 B最大碰撞冲击力为499.3 kN，产生较危险的冲击力。

2.3 车轮与运行轨道间的接触力分析主动车轮与运行轨道间接触力的变化曲线见图4，被动车轮与运行轨道间接触力的变化曲线见图5.仿真结果表明：碰撞过程中，其车轮与运行轨道间的接触力会产生较大的波动；车轮与运行轨道的法向接触力始终都大于0，处于不会脱轨的状态；车轮与运行轨道间出现较大的侧向( 方向)接触力，说明碰撞时其不但有向上跳的倾向，也有侧向滑移的倾向；工况 A车轮与运行轨道的法向最杏触力远小于工况 B，说明工况 A小车更容易脱轨或倾翻。

318 计 算 机 辅 助 工 程 2013丘(a)工况 A下的 方向己RLLr '.-， - 、 / 时间(s)(b)工况 B下的 方向图3 缓冲器与端部止挡间的碰撞冲击力变化曲线Fig.3 Impact force curve between bufer with block时I可(S)(a)工况 A法向(垂直 Y方向)时间(s1(b)工况 A侧向( 方向)蕈 0蓦弓R暇 趟I I. .1IL Lr rn - r ll 1 0l I。

- 时间(S)(a)工况A法向(垂直Y方向)l-- ， - - r r时间(s)苔R暇 l1。

PO.0 5.0 10.0 15.0 20.0时间(s)(c)工况 B法向(垂直 Y方向) (d)工况B侧向( 方向)图5 被动车轮与运行轨道间接触力的变化曲线Fig.5 Contact force curve between passive wheel with trackhtp：//0 0 O 0 0 0 ∞ ∞ ∞ 0 ∞ ∞ 砌 伯N)R 摇nvJ1 N)R 是第S1期 李振林，等：基于虚拟样机的起重机小车碰茁真试验 3192.4 水平轮组与运行轨道间的接触力分析工况 A水平轮与运行轨道间的接触力变化曲线见图6，工况 B水平轮与运行轨道间接触力变化曲线见图7.其中，1号水平轮为前部与吊钩同侧的水平轮，2号水平轮为前部与吊钩异侧的水平轮，3号水平轮为后部与吊钩同侧的水平轮，4号水平轮2.5x10善2.0X101.5X10罂 1.0X10蝼50000.00.0lIll I。

.Il 1lIlIll 1111R喂 螂2、 ， R摇为后部与吊钩异侧的水平轮.在正常运行工况下，水平轮与轨道问的接触力为0，起重小车运行处于平稳状态；在碰撞过程中，水平轮产生较大的接触力( 方向，与前进方向z垂直)，有效防止小车不偏移出轨道；水平轮承受的接触力，在首次碰撞的瞬间最大，之后的连续碰撞，冲击力迅速减小。

(a)l号水平轮接触力 (b)2号水平轮接触力 (e)4号水平轮接触力图6 工况 A下水平轮与运行轨道 间的接触力变化曲线Fig.6 Contact force curve between horizontal wheel with track in working condition AllIL l- L时间(s)(a)1号水平轮工况B下的 方向O邑R墨蝼(b)2号水平轮 .Y-kL B下的 方向图7 工况 B下水平轮与运行轨道间接触力变化曲线Fig.7 Contact force curve between horizontal wheel with track in working condition B2.5 反滚轮与运行轨道间的接触力分析工况 A下反滚轮与运行轨道间接触力变化曲线见图8，工况 B下反滚轮与运行轨道间接触力变化曲线见图9.图中，1号反滚轮为前部的反滚轮，2号反滚轮为后部的反滚轮.在正常运行工况下，反滚轮与运行轨道间的接触力基本上恒定，且保证小车(a)1号反滚轮所受转动力矩为 0，保持平衡；在碰撞过程中，反滚轮与运行轨道间接触力出现很大波动，最大峰值(绝对值)远大于正常运行工况下的反滚轮接触力；工况 A且发生小车碰撞时，反滚轮接触力在-些瞬间会为0，说明在某些极端工况下，有可能会出现小车反向(往反滚轮方向)倾翻的可能。

弓摇蜒1. 。Il l - -- - IT1 呵时I可(S)(b)2号反滚轮图8 工况 A下反滚轮与运行轨道间接触力变化曲线Fig.8 Contact force calve between reverse idler wheel with track in working condition Abtp：//320 计 算 机 辅 助 工 程 2013丘ZR摇妪lL. k r - - -]B'/L'，-1(S)(a)1号反滚轮时间(s)(b)2号反滚轮图9 工况 B下反滚轮与运行轨道间接触力变化曲线Fig.9 Contact force curve between reverse idler wheel with track in working condition B2.6 安全钩、安全反钩与运行轨道间的接触力分析经仿真分析可得：安全钩与运行轨道、安全反钩与运行轨道间接触力均为0，说明在反滚轮和水平轮组未破环时，安全钩以及安全反钩都不受力，小车不会出现倾翻现象。

3 结 论(1)利用 Adams对门式起重机小车进行碰茁真试验，并考虑不同吊重、风载等载荷的叠加作用，分析该小车整体及主要零部件的运动及受力情况。