CN111115455A - 一种门式起重机危险工况仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种门式起重机危险工况仿真测试方法，包括：S1、获取起重机各部件的实际结构尺寸数据，以建立起重机的三维几何模型；S2、将起重机的几何模型对应转换为ADAMS虚拟样机模型；S3、针对不同的危险工况，分别对ADAMS虚拟样机模型进行相应的仿真测试，得到不同危险工况下起重机的仿真运行数据；S4、根据不同危险工况下起重机的仿真运行数据，得到对应的受力变化、运动状况和倾覆倾向结果。与现有技术相比，本发明利用门式起重机的关键部件建立三维几何模型，结合虚拟样机技术，克服了起重机危险工况难以进行现场试验的难题，能够快速准确获得与实际相符的危险工况下起重机的受力变化、运动状况及倾覆倾向结果。

Description

一种门式起重机危险工况仿真测试方法

技术领域

本发明涉及起重机危险工况事故分析技术领域，尤其是涉及一种门式起重机危险工况仿真测试方法。

背景技术

起重机是现代工业企业、交通运输以及建设部门不可缺少的起重设备，主要用以提升(或降低)和搬移大尺寸大吨位货物。近年来，随着经济的快速发展，起重机也向着高速化和大型化发展，但起重机在实际工作中的工况复杂多变，尤其在各种危险极端工况下极易发生事故，造成人员伤亡和财产损失，因此有必要对起重机进行危险工况的预先分析，以保证起重机的安全运行。

传统对于危险极端工况的分析分为理论计算方法与现场模拟计算方法，其中，理论计算方法大多是在起重机设计环节进行的，一般将起重机简化为理想力学模型，以进行静力学分析，即将主梁、支腿等受力件简化为重心和质量，忽略其变形及体积的影响，此外，对于运动危险工况的受力分析，一般是在原有力值基础上乘以系数，以估计力值被放大或缩小的程度，经实际对比验证，上述的理论方法计算得到的受力情况均与实际危险工况的受力情况差别较大。

现场模拟计算方法则是在现场模拟进行危险工况试验，尽管能直接构造与实际相符的危险工况，但也直接对起重机产生了破坏性，对人员及设备安全都有威胁，具有较大的风险性，且难以进行实际操作，因此现实应用中较少采纳这种方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于虚拟样机技术的门式起重机危险工况仿真测试方法，虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，目前已经广泛应用于汽车制造、工程机械、航空航天、造船业等领域。虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度，利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。本发明利用虚拟样机这一特性，通过建立门式起重机虚拟样机模型，模拟各种危险工况，以进行各主要受力部件的运动学和动力学分析，获得与实际相符的危险工况计算结果，从而有效降低制造厂起重机试验和检验部门型式试验的效率和费用，提高设计和检验水平。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种门式起重机危险工况仿真测试方法，包括以下步骤：

S1、获取起重机各部件的实际结构尺寸数据，以建立起重机的三维几何模型；

S2、将起重机的几何模型对应转换为ADAMS虚拟样机模型；

S3、针对不同的危险工况，分别对ADAMS虚拟样机模型进行相应的仿真测试，得到不同危险工况下起重机的仿真运行数据；

S4、根据不同危险工况下起重机的仿真运行数据，得到关键部件对应的受力变化、运动状况和倾覆倾向结果。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、将起重机划分为起重小车、主梁、L型支腿、下横梁和大车运行机构共五种部件；

S12、分别获取起重小车、主梁、L型支腿、下横梁和大车运行机构的实际结构尺寸数据，并利用Pro/E软件建立对应的三维几何模型；

S13、根据起重机各部件的装配关系，将起重小车、主梁、L型支腿、下横梁和大车运行机构的三维几何模型组合装配成起重机整体的三维几何模型。

进一步地，所述步骤S2具体是将起重机的三维几何模型通过Mechanical/pro接口模块导入ADAMS运行环境，并添加约束和驱动，以得到ADAMS虚拟样机模型。

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、将起重机的三维几何模型通过Mechanical/pro接口模块导入ADAMS软件；

S22、在ADAMS软件中，根据起重机各部件之间的运动关系，定义刚体部件和施加零部件之间的约束，得到对应的ADAMS虚拟样机模型。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S21、根据起重机各部件的材料属性，设置ADAMS虚拟样机模型中各部件的材料参数；

S32、针对不同的危险工况，分别对ADAMS虚拟样机模型施加工况约束，以进行不同的危险工况仿真测试，得到不同危险工况下起重机的仿真运行数据。

进一步地，所述不同的危险工况包括过风载、吊物超载、过动载荷以及大车碰撞限位挡块共四种危险工况。

进一步地，所述过风载工况分为正向过风载工况和侧向过风载工况。

进一步地，所述步骤S32中不同危险工况下起重机的仿真运行数据具体为：

在过风载工况下，分别得到大车运行机构中前轮与轨道间接触力、后轮与轨道间接触力数据；

在吊物超载和过动载荷工况下，分别得到钢丝绳拉力、车轮与轨道间接触力数据；

在大车碰撞限位挡块工况下，分别得到大车运行机构中缓冲器与端部止挡间碰撞冲击力、被动车轮与轨道间接触力、大车速度变化以及被动车轮抬起高度数据。

进一步地，所述步骤S4具体是根据预设第一判断条件，基于起重机大车车轮之间、车轮与轨道的接触力数据判断起重机整体倾覆稳定性；

根据预设第二判断条件，基于钢丝绳拉力、车轮与轨道间接触力数据判断起重机的受力情况及倾翻性；

根据预设第三判断条件，基于缓冲器与端部止挡间碰撞冲击力、被动车轮与轨道间接触力、大车速度以及被动车轮抬起高度数据判断起重机的受力变化、运动状况及倾翻性，以得到起重机的安全状态结果。

与现有技术相比，本发明充分利用虚拟样机技术对门式起重机危险工况进行模拟，根据起重机实际结构数据，将起重机划分为五种主要部件，结合ADAMS软件强大的运动学和动力学分析功能，通过对门式起重机危险工况进行梳理和划分，选取其中最有代表性的风载倾覆、吊物超载与动载、以及大车撞击轨道止挡这四种危险工况，能够快速准确得到与实际相符的各危险工况中关键部件的速度、位移及受力情况，一方面克服了现实中无法进行起重机危险工况试验的困难；另一方面通过ADAMS软件模拟与实际相符的各危险工况，极大降低了试验成本和风险，为门式起重机设计、安全评估及制定安全操作规范等提供了有效的技术支持。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为实施例中起重小车外部三维几何模型示意图；

图3为实施例中起重小车内部三维几何模型示意图；

图4为实施例中主梁三维几何模型示意图；

图5为实施例中L型支腿三维几何模型示意图；

图6为实施例中下横梁与大车运行机构三维几何模型示意图；

图7为实施例中门式起重机整体三维几何模型示意图；

图8为实施例中门式起重机虚拟样机模型示意图；

图9a为实施例中正向风压150N/m²时前轮与后轮接触力示意图；

图9b为实施例中正向风压250N/m²时前轮与后轮接触力示意图；

图9c为实施例中正向风压500N/m²时前轮与后轮接触力示意图；

图9d为实施例中正向风压800N/m²时前轮与后轮接触力示意图；

图9e为实施例中侧向风载时车轮与轨道间接触力示意图；

图10a为实施例中吊物超载和动载工况下起重小车居中时钢丝绳拉力示意图；

图10b为实施例中吊物超载和动载工况下起重小车居左时钢丝绳拉力示意图；

图10c为实施例中吊物超载和动载工况下起重小车居右时钢丝绳拉力示意图；

图11a为实施例中大车碰撞限位挡块工况下无缓冲器时大车与端部止挡间碰撞冲击力示意图；

图11b为实施例中大车碰撞限位挡块工况下聚氨酯缓冲器I时大车与端部止挡间碰撞冲击力示意图；

图11c为实施例中大车碰撞限位挡块工况下标准聚氨酯缓冲器时大车与端部止挡间碰撞冲击力示意图；

图11d为实施例中大车碰撞限位挡块工况下无缓冲器时大车被动车轮与轨道间接触力示意图；

图11e为实施例中大车碰撞限位挡块工况下聚氨酯缓冲器I时大车被动车轮与轨道间接触力示意图；

图11f为实施例中大车碰撞限位挡块工况下标准聚氨酯缓冲器时大车被动车轮与轨道间接触力示意图；

图11g为实施例中大车碰撞限位挡块工况下不同缓冲器时大车速度与被动车轮抬起高度曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种门式起重机危险工况仿真测试方法，包括以下步骤：

S1、获取起重机各部件的实际结构尺寸数据，以建立起重机的三维几何模型；

S2、将起重机的几何模型对应转换为ADAMS虚拟样机模型；

S3、针对不同的危险工况，分别对ADAMS虚拟样机模型进行相应的仿真测试，得到不同危险工况下起重机的仿真运行数据；

S4、根据不同危险工况下起重机的仿真运行数据，得到关键部件对应的受力变化、运动状况和倾覆倾向结果。

将上述方法应用于本实施例，具体应用过程包括两部分——门式起重机几何建模和虚拟样机分析：

首先进行门式起重机危险工况梳理，选取4种典型性工况进行分析：过大的风载、吊重超载、过大的动载荷、大车与轨道端部止挡发生激烈碰撞。

(一)、门式起重机几何建模

为获得起重机准确的重量、形心位置、惯性矩等参数，按图纸1:1的比例，运用Pro/E软件，对门式起重机进行精确的几何建模，将门式起重机划分成起重小车、主梁、L型刚性支腿、下横梁和大车运行机构共五种部件进行CAD建模，分别如图2～图6所示，其中，起重小车、下横梁与大车运行机构中各零件名称与型号如表1所示：

表1

将建好的起重小车、主梁、支腿、下横梁与大车运行机构各部件按照门式起重机的实际结构装配成门式起重机整机模型，如图7所示，之后将门式起重机几何模型转换到ADAMS虚拟样机模型，根据门式起重机各部件之间的运动关系，对装配体中各个零件的装配次序及隶属关系进行了适当地规划，同时考虑不同的危险工况对起重机几大部件进行封装，简化模型构件和约束数量，有效降低仿真分析的运算量，转换后的虚拟样机模型如图8所示。

(二)门式起重机虚拟样机危险工况分析

1.风载作用的仿真和分析

考虑不同等级的风载荷下门式起重机的受力和稳定性情况，具体如表2所示：

表2

仿真中，通过起重机大车车轮与轨道的接触力变化判断起重机抗整体倾覆稳定性。图9a～图9e为不同风载工况下的大车车轮与轨道接触力。由图可见当风载荷、吊重等均不变时，接触力基本恒定；随着风载荷加大，车轮的接触力增大，前后车轮的接触力差别增大，侧向风载下两侧车轮的接触力差别增大，有倾覆的倾向；在本工况中所有车轮均有接触力，故不会倾翻。

2.吊物的超载和动载仿真和安全性分析

主要研究超载时，门式起重机的受力情况及倾翻性；当吊物突然加速上升时附加动载荷及倾翻性。工况设计如表3所示：

表3

工况E-4、工况F-4和工况G-4下主起升机构钢丝绳拉力的仿真结果如图10a～图10c所示。静载和突然提升时钢丝绳的动载拉力，如表4所示，在吊物加速提升的过程中，钢丝绳拉力承受动载拉力，E-4、F-4和G-4工况中钢丝绳拉力增加了4％。

表4

工况序号	静态拉力(KN)	起吊最大动载拉力(KN)	动载系数
				E-4	396.29	412.0	1.0396
F-4	396.08	411.78	1.0396
				G-4	396.4	412.24	1.0400

注：定义动载系数＝起吊最大动载拉力/静态拉力。

静载和突然提升时大车车轮与轨道间的接触力值，如表5所示，仿真表明大车车轮与轨道间的接触力随着小车位置的变化而改变，突然起吊时，大车车轮与轨道间的接触力变化不大。

表5

此外，仿真还得出各主要结构件连接处的作用力情况，为起重机设计及安全运行提供参考数据。

3.大车与限位挡块碰撞仿真和分析

当大车以一定速度撞击轨道端部止挡后，起重机是否会倾翻、大车缓冲器承受的冲击力以及对起重机整体受力产生的影响。中小车和吊物静止不动，风压取250N/m²，风载荷与大车的运行方向相同，共设计了3种大车与限位挡块的碰撞仿真工况，参见表6。

大车缓冲器与端部止挡间碰撞冲击力如图11a～图11c所示。第一次碰撞力对应实际中大车与轨道止挡的碰撞力；不同的缓冲器刚度不同因此碰撞力也不同。大车被动车轮与轨道间的接触力如图11d～图11f所示。在碰撞过程中，被动车轮与轨道间的接触力发生很大的波动，均出现大车被动车轮接触力降为零的现象，说明大车碰撞过程中，已经达到“临界倾覆载荷”，大车的被动车轮已经抬起脱离轨道，此时起重机处于会发生向前倾翻的危险状态，是不安全的。如图11g给出了不同碰撞速度下被动车轮质心位置在竖直方向的抬起高度变化情况。大车与限位挡块碰撞时的瞬间抬高度随着碰撞速度增加而增大；被动车轮接触力降为0时，K-3工况的大车速度约为9m/min、L-3工况约为20m/min。

表6

注：表中V₁指大车的最大额定运行速度(39.5m/min)。

综上所述，应用本发明提出的方法，能够对不同危险工况进行动态仿真和分析，包括不同大车运行速度、吊物重量、风载情况下，风载作用、吊物的超载和动载、大车与限位挡块碰撞等仿真试验和分析，以得到在各种危险工况下门式起重机的受力变化、运动状况、倾覆倾向等大量数据结果，为门式起重机的安全评估、危险工况分析、制定安全操作规范、制定突发事故应急救援预案等提供了有效的技术支持；此外，本发明采用四种典型危险工况作为起重机事故库，从动力学角度分析事故发生原因、发展及结果的软件手段，在虚拟样机仿真过程中，可根据事故实际及理论推导修正虚拟样机模型的各种约束、驱动及部件拆分情况，随着事故库的不断完善充实，事故模拟准确度也将不断提高，从而达到有效预防危险事故的目的。

Claims (9)

1.一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取起重机各部件的实际结构尺寸数据，以建立起重机的三维几何模型；

S2、将起重机的几何模型对应转换为ADAMS虚拟样机模型；

S3、针对不同的危险工况，分别对ADAMS虚拟样机模型进行相应的仿真测试，得到不同危险工况下起重机的仿真运行数据；

S4、根据不同危险工况下起重机的仿真运行数据，得到关键部件对应的受力变化、运动状况和倾覆倾向结果。

2.根据权利要求1所述的一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、将起重机划分为起重小车、主梁、L型支腿、下横梁和大车运行机构共五种部件；

S12、分别获取起重小车、主梁、L型支腿、下横梁和大车运行机构的实际结构尺寸数据，并利用Pro/E软件建立对应的三维几何模型；

S13、根据起重机各部件的装配关系，将起重小车、主梁、L型支腿、下横梁和大车运行机构的三维几何模型组合装配成起重机整体的三维几何模型。

3.根据权利要求2所述的一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S2具体是将起重机的三维几何模型通过Mechanical/pro接口模块导入ADAMS运行环境，并添加约束和驱动，以得到ADAMS虚拟样机模型。

4.根据权利要求3所述的一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、将起重机的三维几何模型通过Mechanical/pro接口模块导入ADAMS软件；

S22、在ADAMS软件中，根据起重机各部件之间的运动关系，定义刚体部件和施加零部件之间的约束，得到对应的ADAMS虚拟样机模型。

5.根据权利要求4所述的一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S21、根据起重机各部件的材料属性，设置ADAMS虚拟样机模型中各部件的材料参数；

S32、针对不同的危险工况，分别对ADAMS虚拟样机模型施加工况约束，以进行不同的危险工况仿真测试，得到不同危险工况下起重机的仿真运行数据。

6.根据权利要求5所述的一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，所述不同的危险工况包括过风载、吊物超载、过动载荷以及大车碰撞限位挡块共四种危险工况。

7.根据权利要求6所述的一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，所述过风载工况分为正向过风载工况和侧向过风载工况。

8.根据权利要求6所述的一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S32中不同危险工况下起重机的仿真运行数据具体为：

在过风载工况下，分别得到大车运行机构中前轮和与轨道间接触力、后轮与轨道间接触力数据；

在吊物超载和过动载荷工况下，分别得到钢丝绳拉力、车轮与轨道间接触力数据；

在大车碰撞限位挡块工况下，分别得到大车运行机构中缓冲器与端部止挡间碰撞冲击力、被动车轮与轨道间接触力、大车速度变化以及被动车轮抬起高度数据。

9.根据权利要求8所述的一种门式起重机危险工况仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S4具体是根据预设第一判断条件，基于起重机大车车轮之间、车轮与轨道的接触力数据判断起重机整体倾覆稳定性；

根据预设第二判断条件，基于钢丝绳拉力、车轮与轨道间接触力数据判断起重机的受力情况及倾翻性；

根据预设第三判断条件，基于缓冲器与端部止挡间碰撞冲击力、被动车轮与轨道间接触力、大车速度以及被动车轮抬起高度数据判断起重机的受力变化、运动状况及倾翻性，以得到起重机的安全状态结果。

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