CN109406187A - 起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置和方法，它能够静态、动态地验证分析起重机抗风防滑性能，从而可以整体在抗风制动过程中的动力学响应进行分析研究，还可以利用该模型对制动器的选型进行配置优化进行分析；基于力平移定理对风荷载的等效处理能够简化边界条件施加步骤；利用本模型可以对起重机抗风防滑失效机理进行探讨，并可根据此动力模型的仿真数据对起重机抗风防滑现场试验提供指导和理论依据。通过增设监测系统，能对起重机的运行参数进行全面监控并管理，提高了检测效率，能保证起重机的安全运行。制动器上的风速传感器和速度传感器可以配合得到数据，通过风力大小、速度判断出制定的制动方案，并指令相关制动装置制动。

Description

起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置和方法

技术领域

本发明涉及一种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置和方法，它采用动力模型模拟，及仿真数据分析对起重机抗风防滑失效机理进行研究。

背景技术

室外轨道起重机、特别是在沿海与港口的大型起重机的强风滑动引发的灾害是工程界关注的问题。由于没有建立有效的抗风滑动系统的设计与检测评估体系，导致由强风滑动引起的事故频繁发生。

2004年上海两台60T龙门吊被突发强风吹动滑行，滑行了大约70m后失控倾斜倒地；2004年营口港价值七千万元人民币的两台岸边集装箱门式起重机在正常天气情况下，突遇强阵风，将该设备刮动，沿着起重机轨道飞速行走，直至轨道终点倾翻至海中，共造成约1.4亿元人民币的损失；

2003年横扫韩国的台风“鸣蝉”，瞬间达42.7m/s的狂风刮到了釜山港区集装箱码头的10多台重达近千吨的起重机，11台集装箱起重机被吹倒并不同程度受损死亡人数超过百人，直接经济损失13亿美元。

由此可见起重机抗风防滑失效无论是在国内还是在国外都有严重的事故发生，而起重机抗风防滑失效的原因目前并不是很清楚。一些学者认为起重机在风荷载的作用下产生移动，随着风荷载的持续作用，起重机加速运动，形成很大的动能，然后和其他起重机碰撞，造成群体性毁坏的事故。

但是在起重机设计时已经对起重机抗风防滑进行校核，在一些规范中明确要求起重机出现整机滑移时的最大的抗风能力一般9～10级，非工作状态下沿海起重机的抗倾覆稳定性风压取值为600～1000pa，并且在1996年15号台风造成湛江港16台大型起重机被毁之后，交通部于1996年底发布了《关于新建、扩建、改建的沿海港口码头及其大型港口机械配置防风抗台装置的通知》，该通知规定了工作状态下的设计抗风能力由9～10级风提高到11级风；非工作状态下的设计抗风能力由600～1000Pa提高到1850Pa(相当于风速55m/s),提高近一倍。但是经过事故调查之后发现当地气象方面并没有很大的风，所有事故现场的风都不超过10级，并且这种风只对起重机造成了损坏，对近在咫尺的树木、建筑物确没有明显的影响。

由此可以看出起重机的抗风失效并不是单纯的由于风级过大造成的，可能还有其他的因素，例如防风制动装置摩擦系数不足、风的上拔力、吊物对起重机的影响、轨道和轮子之间是否有异物降低了摩擦系数等，这些都有可能降低起重的抗风防滑能力。

目前的针对起重机的抗风防滑性能主要还是处在制动器的研究，包括新型制动器的研制、制动器的选型和配置以及抗风防滑装置实验平台等，如也有一些学者提出现场测试起重机抗风防滑的试验方法，但是该方法只能从静态上从对验证起重机的抗风防滑能力。有些学者应用多体动力学对起重机的车轮-轮边制动器的制动性能进行了研究，但是该研究只是从局部上研究，并不能对起重机整体在抗风制动过程中的动力学响应进行分析。对于从整体上对起重机防滑的动力特性缺少研究。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置和方法，它能够静态、动态地验证分析起重机抗风防滑性能，全面监控并管理,从而可以整体在抗风制动过程中的动力学响应进行分析研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置，该模拟装置采用门式起重机模型来模拟起重机进行分析，该门式起重机模型包括主梁，主梁水平横向设置，主梁两侧的底部通过多根支脚与水平纵向设置的两根横梁固定，横梁的底部通过轮子设置于水平纵向设置的轨道上，所述轮子包括主动轮和从动轮，主动轮和从动轮间隔设置，主动轮由电机控制驱动，带着从动轮一起运动，所述主动轮上连接有减速器，减速器上连有与之配合的制动器，所述制动器上装有控制系统，该控制系统包括PLC控制器、风速传感器、速度传感器、静态制动装置、动态制动装置，风速传感器、速度传感器连在PLC控制器的输入端上，所述静态制动装置和动态制动装置固定在起重机上，并且静态制动装置和动态制动装置与PLC控制器的输出端相连，静态制动装置包括轮边制动器和铁楔制动器，所述动态制动装置为设置在所主动轮运动方向前部的存储箱，所述存储箱内装有若干个橡胶限速块，所述存储箱开口朝下，所述开口竖直朝向轨道，制动器的输入端连有制动电机，通过制动电机来对主动轮进行制动，使其由滑动变为滚动，实现制动，所述横梁的一端还设置有夹轨器，所述门式起重机模型上装有信号采集单元，信号采集单元包括重力传感器、行程传感器、速度传感器，信号采集单元通过模数转换器、隔离电路与信息处理单元相连，所述信息处理单元为FPGA芯片，信息处理单元与控制输出单元、信息存储单元、信息显示单元和信息导出接口单元相连，并且信息处理单元通过通讯芯片与监控主机相连，所述通讯芯片为无线通信芯片、RS485/RS232通信芯片或以太网通信芯片。

一种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟方法：基于ADAMS和SolidWorks建立起重机结构模型，对起重机动力学模型简化，只建立起重机承重结构、车轮、轨道、制动器闸瓦和轮轴，起重机共有64个车轮，在32个车轮上布置制动器，有制动器和无制动器的车轮交替排列，轮轴-车架和车架以上结构件之间用固定副将其连接，轮轴和车轮用旋转副连接，根据某轮边制动器建立制动器闸瓦，并保证闸瓦和车轮有1mm的开闸间隙，制动闸瓦和车轮的动摩擦系数取0.35，静摩擦系数取0.4，用滑移副连接制动闸瓦和车架，车轮和轨道、制动器闸瓦-车轮采用Hertz理论，采用非线性等效弹簧阻尼模型模拟其接触力，轮边制动器-车轮和车轮-轨道的摩擦力用Coulomb模型模拟，用固定副将轨道和大地连接，模拟大地对轨道的支撑力，在轮轴和车轮的旋转副上施加驱动力矩,模拟电机和减速器对起重机的驱动力，在垂直闸瓦方向施加水平荷载，模拟轮边制动器的制动力；

风荷载通过风压的形式作用在起重机上，为了简化施加荷载过程，根据力在刚体上的平移原理，将该风荷载对起重机结构的推力简化到起重机质心位置，得到一个力和一个力矩，仿真起重机运行历程如下：首先在起重机质心位置上施加驱动力，起重机开始运动，当速度达到1m/min时在起重机质心位置处施加等效后的风荷载，同时轮边制动器开始施加夹紧力，夹紧力从开始工作到额定夹紧力作用时间为1s，制动器闸瓦与车轮的摩擦力使起重机减速直至停止，数值仿真时间为7s。

本发明的有益效果：

这种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置和方法建立的精心模型能够对制动器的制动性能进行进行仿真研究，它能够静态、动态地验证分析起重机抗风防滑性能，从而可以整体在抗风制动过程中的动力学响应进行分析研究，如轮压的变化、滑移位移、车轮运动状态等，还可以利用该模型对制动器的选型进行配置优化进行分析；基于力平移定理对风荷载的等效处理能够简化边界条件施加步骤，提高仿真效率；利用本模型可以对起重机抗风防滑失效机理进行探讨，并可根据此动力模型的仿真数据对起重机抗风防滑现场试验提供指导和理论依据。通过增设监测系统，能对起重机的运行参数进行全面监控并管理，提高了检测效率，能保证起重机的安全运行。制动器上的风速传感器和速度传感器可以配合得到数据，通过风力大小、速度判断出制定的制动方案，并指令相关制动装置制动。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置的示意图。

图2为图1中横梁的主视图。

图3为图1中横梁的俯视图。

图4为本发明起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟方法中风荷载通过风压的形式作用在起重机的力的平移过程图。

图5为本发明起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟方法中轮边制动器施加的夹紧力的时程曲线图。

图6为本发明起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟方法中起重机在有无风荷载作用下的制动位移时程曲线图。

图7为本发明起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟方法中起重机沿风方向行走时前轮和后轮的轮压曲线图。

图8为本发明起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟方法中起重机的车轮转速时程曲线图。

图9为图1中门式起重机模型的监控系统的示意图。

图10为图1中制动器上的控制系统的示意图。

图中：门式起重机模型1、主梁2、支脚3、横梁4、主动轮5、从动轮6、减速器7、制动器8、PLC控制器8.1、风速传感器8.2、速度传感器8.3、静态制动装置8.4、动态制动装置8.5、制动电机9、夹轨器10、信号采集单元11、重力传感器11.1、行程传感器11.2、速度传感器11.3、摄像头11.4、信息处理单元12、控制输出单元13、信息存储单元14、信息显示单元15、信息导出接口单元16、通讯芯片17、监控主机18。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图3，本发明涉及一种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置和方法，模拟装置采用门式起重机模型1来模拟起重机进行分析，该门式起重机模型1包括主梁2，主梁2水平横向设置，主梁2两侧的底部通过多根支脚3与水平纵向设置的两根横梁4固定，横梁4的底部通过轮子设置于水平纵向设置的轨道上，所述轮子包括主动轮5和从动轮6，主动轮5和从动轮6间隔设置，主动轮5由电机控制驱动，带着从动轮6一起运动，所述主动轮5上连接有减速器7，减速器7上连有与之配合的制动器8，制动器8的输入端连有制动电机9，通过制动电机9来对主动轮5进行制动，使其由滑动变为滚动，实现制动，所述横梁4的一端还设置有夹轨器10用于夹住导轨来防止门式起重机模型1窜动。

如图9，所述门式起重机模型1上装有信号采集单元11，信号采集单元11包括重力传感器11.1、行程传感器11.2、速度传感器11.3、摄像头11.4等，信号采集单元11通过模数转换器、隔离电路与信息处理单元12相连，所述信息处理单元12为FPGA芯片，信息处理单元12与控制输出单元13、信息存储单元14、信息显示单元15和信息导出接口单元16相连，并且信息处理单元12通过通讯芯片17与监控主机18相连，用于监控起重机的各种参数，所述通讯芯片17为无线通信芯片、RS485/RS232通信芯片或以太网通信芯片等。

如图10，所述制动器8上装有控制系统，该控制系统包括PLC控制器8.1、风速传感器8.2、速度传感器8.3、静态制动装置8.4、动态制动装置8.5，风速传感器8.2、速度传感器8.3连在PLC控制器8.1的输入端上，风速传感器8.2能够准确知道客观条件下风的风速和风向，风速曲线才可以作为风压曲线的比对标准和修正标准，速度传感器8.3可以测出门式起重机模型1的行走速度，所述静态制动装置8.4和动态制动装置8.5固定在起重机上，并且静态制动装置8.4和动态制动装置8.5与PLC控制器8.1的输出端相连，静态制动装置8.4包括轮边制动器和铁楔制动器，所述动态制动装置8.5为设置在所主动轮5运动方向前部的存储箱，所述存储箱内装有若干个橡胶限速块，所述存储箱开口朝下，所述开口竖直朝向轨道。

起重机抗风防滑性能的多体动力学分析方法基于ADAMS和SolidWorks建立起重机结构模型，在不影响计算的前提下对起重机动力学模型简化，只建立起重机承重结构、车轮、轨道、制动器闸瓦和轮轴，并且以上结构全部按照刚体对其进行处理，该起重机共有64个车轮，在32个车轮上布置制动器，有制动器和无制动器的车轮交替排列，轮轴-车架和车架以上结构件之间用固定副将其连接，轮轴和车轮用旋转副连接，在此不考虑其阻尼。根据某轮边制动器建立制动器闸瓦，并保证闸瓦和车轮有1mm的开闸间隙，制动闸瓦和车轮的动摩擦系数取0.35，静摩擦系数取0.4，用滑移副连接制动闸瓦和车架，车轮和轨道、制动器闸瓦-车轮采用Hertz理论，采用非线性等效弹簧阻尼模型模拟其接触力，轮边制动器-车轮和车轮-轨道的摩擦力用Coulomb模型模拟。

用固定副将轨道和大地连接，模拟大地对轨道的支撑力。在轮轴和车轮的旋转副上施加驱动力矩,模拟电机和减速器对起重机的驱动力。在垂直闸瓦方向施加水平荷载，模拟轮边制动器的制动力。

风荷载通过风压的形式作用在起重机上，为了简化施加荷载过程，根据力在刚体上的平移原理，将该风荷载对起重机结构的推力简化到起重机质心位置，得到一个力和一个力矩，平移过程如图4所示。假设起重机在工作状态时突然遇到风荷载，此时轮边制动器开始制动,在实际制动过程中,轮边制动器需要一个制动过程,该制动过程对制动带给起重机的冲击力起到缓冲作用,通过实验发现该制动过程所需时间大概为1s左右,仿真起重机运行历程如下：首先在起重机质心位置上施加驱动力，起重机开始运动，当速度达到1m/min时在起重机质心位置处施加等效后的风荷载，同时轮边制动器开始施加夹紧力，夹紧力从开始工作到额定夹紧力作用时间为1s，时程曲线如图5所示。制动器闸瓦与车轮的摩擦力使起重机减速直至停止，数值仿真时间大概为7s。

提取起重机在有无风荷载作用下的制动位移时程曲线，如图6所示，轮边制动能够发挥较好的制动效果，和无风荷载相比滑行距离相差1.1m。

提取起重机沿风方向行走的前轮和后轮轮压，如图7所示，其中CONTAC_32和CONTAC_15分别为前轮和后轮与轨道的接触力，查询该起重机的资料可知自重为994T，当起重机静平衡时各轮压为15.46T，则总轮压为989.44T，误差较小，证明了理论模型和实际情况的一致性，验证了模型的正确性。

由图7可知，在风荷载作用下，起重机制动过程中轮压并不是一个恒定值，而是沿着某值上下波动，这是由于制动器制动后，制动轮由滚动变为滑动，再加上风荷载对起重机附加弯矩的作用，造成了制动轮与轨道的力呈现波动的现象。在轮边制动器制动之前，前后轮轮压几乎相等，在制动过程中，后轮轮压小于前轮轮压，加剧了前轮与轨道的磨损，这是由于一方面风荷载带给起重机的附加弯矩造成的，另一方面起重机自身的惯性造成的。当起重机停止运动后，起重机自身惯性力消失，但是在风荷载的附加弯矩的作用下，前后轮压仍有一定的差别，但是差距不大。

由轮压时程曲线可知在时间1.4665秒的时刻前轮轮压最大，并且在由图8可知在该点后的一个时刻前轮的转速快速降低，直至为0，可见在这段时间内，随着制动器夹紧力的增加，车轮与轨道的摩擦力不足以提供车轮转动，车轮开始由滚动变为滑动，在车轮运动转换的过程中对轨道产生较大的挤压，使轨道和车轮较容易产生磨损。在后面的制动时间里，由于前轮的轮压波动比较大，所以车轮会在轮压较大的时间点有滑动变为滚动，在轮压波动低谷时再有滚动变为滑动，所以其转速曲线会有部分的凸点，但是在这些凸点时段轮子的转动角度较小。而对于后轮，风荷载附加弯矩和起重机自身惯性的的作用使后轮轮压较小，在车轮完全停止转动后的时间内几乎都全都处于滑行状态。

这种分析方法基于ADAMS建立风荷载作用下的起重机-轮边制动器的动力学精细模型，采用Hertz理论模拟了车轮-轨道以及轮边制动器车轮的接触力，基于Coulomb对制动器的制动力进行了仿真，得到了较好的结果，并得到以下结论：

(1)建立的精心模型能够对轮边制动器的制动性能进行进行仿真研究，并对在制动过程中起重机的运行状态进行分析，如轮压的变化、滑移位移、车轮运动状态等，还可以利用该模型对制动器的选型进行配置优化进行分析。具体的参数可以通过实验数据对其进行修正；

(2)基于力平移定理对风荷载的等效处理能够简化边界条件施加步骤，提高仿真效率；

(3)在风荷载作用下轮边制动器能够有效的发挥制动作用，在制动过程中轮压并不是衡量，而是一个水平波动量，并且在起重机移动方向前后两轮的轮压现场较大，易对车轮和轨道造成磨损。

(4)利用本模型可以对起重机抗风防滑失效机理进行探讨，并可根据此动力模型的仿真数据对起重机抗风防滑现场试验提供指导和理论依据。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟装置，其特征在于：该模拟装置采用门式起重机模型(1)来模拟起重机进行分析，该门式起重机模型(1)包括主梁(2)，主梁(2)水平横向设置，主梁(2)两侧的底部通过多根支脚(3)与水平纵向设置的两根横梁(4)固定，横梁(4)的底部通过轮子设置于水平纵向设置的轨道上，所述轮子包括主动轮(5)和从动轮(6)，主动轮(5)和从动轮(6)间隔设置，主动轮(5)由电机控制驱动，带着从动轮(6)一起运动，所述主动轮(5)上连接有减速器(7)，减速器(7)上连有与之配合的制动器(8)，所述制动器(8)上装有控制系统，该控制系统包括PLC控制器(8.1)、风速传感器(8.2)、速度传感器(8.3)、静态制动装置(8.4)、动态制动装置(8.5)，风速传感器(8.2)、速度传感器(8.3)连在PLC控制器(8.1)的输入端上，所述静态制动装置(8.4)和动态制动装置(8.5)固定在起重机上，并且静态制动装置(8.4)和动态制动装置(8.5)与PLC控制器(8.1)的输出端相连，静态制动装置(8.4)包括轮边制动器和铁楔制动器，所述动态制动装置(8.5)为设置在所主动轮(5)运动方向前部的存储箱，所述存储箱内装有若干个橡胶限速块，所述存储箱开口朝下，所述开口竖直朝向轨道，制动器(8)的输入端连有制动电机(9)，通过制动电机(9)来对主动轮(5)进行制动，使其由滑动变为滚动，实现制动，所述横梁(4)的一端还设置有夹轨器(10)，所述门式起重机模型(1)上装有信号采集单元(11)，信号采集单元(11)包括重力传感器(11.1)、行程传感器(11.2)、速度传感器(11.3)，信号采集单元(11)通过模数转换器、隔离电路与信息处理单元(12)相连，所述信息处理单元(12)为FPGA芯片，信息处理单元(12)与控制输出单元(13)、信息存储单元(14)、信息显示单元(15)和信息导出接口单元(16)相连，并且信息处理单元(12)通过通讯芯片(17)与监控主机(18)相连，所述通讯芯片(17)为无线通信芯片、RS485/RS232通信芯片或以太网通信芯片。

2.一种起重机抗风防滑性能的多体动力学模拟方法，其特征在于：基于ADAMS和

SolidWorks建立起重机结构模型，对起重机动力学模型简化，只建立起重机承重结构、车轮、轨道、制动器闸瓦和轮轴，起重机共有64个车轮，在32个车轮上布置制动器，有制动器和无制动器的车轮交替排列，轮轴-车架和车架以上结构件之间用固定副将其连接，轮轴和车轮用旋转副连接，根据某轮边制动器建立制动器闸瓦，并保证闸瓦和车轮有1mm的开闸间隙，制动闸瓦和车轮的动摩擦系数取0.35，静摩擦系数取0.4，用滑移副连接制动闸瓦和车架，车轮和轨道、制动器闸瓦-车轮采用Hertz理论，采用非线性等效弹簧阻尼模型模拟其接触力，轮边制动器-车轮和车轮-轨道的摩擦力用Coulomb模型模拟，用固定副将轨道和大地连接，模拟大地对轨道的支撑力，在轮轴和车轮的旋转副上施加驱动力矩,模拟电机和减速器对起重机的驱动力，在垂直闸瓦方向施加水平荷载，模拟轮边制动器的制动力；

风荷载通过风压的形式作用在起重机上，为了简化施加荷载过程，根据力在刚体上的平移原理，将该风荷载对起重机结构的推力简化到起重机质心位置，得到一个力和一个力矩，仿真起重机运行历程如下：首先在起重机质心位置上施加驱动力，起重机开始运动，当速度达到1m/min时在起重机质心位置处施加等效后的风荷载，同时轮边制动器开始施加夹紧力，夹紧力从开始工作到额定夹紧力作用时间为1s，制动器闸瓦与车轮的摩擦力使起重机减速直至停止，数值仿真时间为7s。