盧志珍，舒希勇，倪學(xué)虎，王成龍

LU Zhi-zhen1, SHU Xi-yong1, NI Xue-hu2, WANG Cheng-long2

（1. 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003；2. 淮安遠(yuǎn)航船用設(shè)備制造有限公司，淮安 223001）

0 引言

在中小型船舶上，由于甲板上場(chǎng)地及空間窄小，艏艉樓、塔柱等固定結(jié)構(gòu)較多，或起吊特殊的物品、爆炸物時(shí)以防懸掛的鋼絲繩過(guò)長(zhǎng)而偏擺引起碰撞，或因特殊救助打撈等作業(yè)要求，經(jīng)常需配備具有伸縮和折疊功能的起重機(jī)。這種起重機(jī)，整體部件較多，運(yùn)動(dòng)也比較復(fù)雜，尤其是伸縮和兩次折疊動(dòng)作。傳統(tǒng)的方法是很難精確確定各構(gòu)件的外形尺寸及在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相對(duì)位置，但在運(yùn)用Pro/E進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬裝配與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真后，可以求解出各構(gòu)件最佳的空間位置和空間形狀，從設(shè)計(jì)上降低系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)干涉。本文以20KN-9M船用伸縮折疊起重機(jī)為例，運(yùn)用Pro/E軟件，實(shí)現(xiàn)了該起重機(jī)整體機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)、裝配以及運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題做出了改進(jìn)，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加快了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，同時(shí)也使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候盡量減少失誤，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

1 船用伸縮折疊起重機(jī)工作原理

船用伸縮折疊起重機(jī)展開(kāi)工作時(shí)如圖1所示，該起重機(jī)利用起升絞車、鋼絲繩實(shí)現(xiàn)重物和吊具的升降。起升絞車由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)高強(qiáng)度的行星齒輪減速箱帶動(dòng)卷筒卷繞鋼絲繩完成貨物的升降。工作中利用變幅液壓缸實(shí)現(xiàn)吊臂變幅，利用回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行星齒輪減速箱，使裝在行星齒輪減速箱上的小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)齒圈直接嚙合實(shí)現(xiàn)整機(jī)回轉(zhuǎn)。起重機(jī)在作業(yè)完成后，利用多級(jí)液壓缸實(shí)現(xiàn)伸縮臂伸縮動(dòng)作，將兩節(jié)伸縮臂縮到基本臂內(nèi)。利用折臂液壓缸實(shí)現(xiàn)基本臂與調(diào)幅臂折疊，調(diào)幅臂與回轉(zhuǎn)支座折疊。折疊后起重機(jī)如圖2所示。兩次折疊收到最小的外形尺寸，折疊后的起重機(jī)僅占打開(kāi)工作時(shí)起重機(jī)空間的1/4，從而減少設(shè)備占用空間，降低設(shè)備重心，減小船舶在航行時(shí)的搖擺幅度。

1—基座；2—回轉(zhuǎn)支承；3—回轉(zhuǎn)支座；4—起升絞車；5—變幅臂；6—基本臂；7—伸縮液壓缸；8、9—伸縮臂；10—變幅液壓缸；11—折臂液壓缸圖1 起重機(jī)總圖

2 船用伸縮折疊起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以下就起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)以及在起重工作過(guò)程中的功能進(jìn)行分析。

2.1 基座部分

基座設(shè)計(jì)成圓筒形結(jié)構(gòu)，它主要用來(lái)承擔(dān)起重機(jī)的全部正壓力和傾覆力矩，上部法蘭面用來(lái)聯(lián)接回轉(zhuǎn)支承，下部與船舶甲板底座相聯(lián)接，上下法蘭

圖2 折疊后起重機(jī)

圖3 基座

與圓筒之間有加強(qiáng)筋連接，基座內(nèi)有支撐，起加強(qiáng)作用，電動(dòng)機(jī)安裝在該支撐中間。圓筒上設(shè)有一個(gè)供安裝和維護(hù)的人孔?；Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 回轉(zhuǎn)支座部分

回轉(zhuǎn)支座設(shè)計(jì)成四邊形柱狀結(jié)構(gòu)，下部用高強(qiáng)度螺栓與回轉(zhuǎn)支承連接，內(nèi)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)支承與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的小齒輪相嚙合，能同時(shí)承受軸向力和傾覆力矩等復(fù)雜載荷，利用裝在內(nèi)部的回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承實(shí)現(xiàn)整機(jī)和起吊重物一起作順時(shí)針或逆時(shí)針兩個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)支承上部用銷釘連接變幅臂，其旁邊裝有起升絞車?；剞D(zhuǎn)支座結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)支座

2.3 變幅臂部分

變幅臂設(shè)計(jì)成箱型結(jié)構(gòu)，在變幅液壓缸作用下，它既能帶著基本臂和伸縮臂繞回轉(zhuǎn)支座的銷軸向上變幅，也能繞銷軸向下回轉(zhuǎn)，與整機(jī)折疊。變幅臂結(jié)構(gòu)如圖5所示。變幅臂一端端通過(guò)銷軸與回轉(zhuǎn)支座相連接，一端與基本臂相連接。為了使結(jié)構(gòu)緊湊，合理利用空間，將折臂液壓缸設(shè)計(jì)在變幅臂下方，這樣變幅臂的截面便設(shè)計(jì)成一種開(kāi)口的門型結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 變幅臂

圖6 變幅臂截面

2.4 基本臂部分

基本臂設(shè)計(jì)成箱型結(jié)構(gòu)，其右端開(kāi)口，作業(yè)完成后，兩節(jié)伸縮臂可以縮進(jìn)來(lái)?；颈鄄捎昧嘶颈郾垠w與變幅臂分開(kāi)連接，使基本臂與變幅臂運(yùn)動(dòng)不在同一條軸線內(nèi)，（兩軸線尺寸為368mm）滿足了基本臂與變幅臂折到最小角度的折疊要求。基本臂結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 基本臂

2.5 伸縮臂部分

兩節(jié)伸縮臂都是箱型結(jié)構(gòu)，第一節(jié)伸縮臂縮進(jìn)第二節(jié)伸縮臂，第二節(jié)伸縮臂縮進(jìn)基本臂內(nèi)，當(dāng)它們伸開(kāi)時(shí)，可以使起重機(jī)吊臂加長(zhǎng)，這樣便能增加起重機(jī)作業(yè)范圍。當(dāng)作業(yè)完成后，兩節(jié)伸縮臂縮進(jìn)基本臂，可以收到最小的外形尺寸，從而減少設(shè)備占用空間。伸縮臂結(jié)構(gòu)如圖8所示。

該伸縮折疊起重機(jī)還有一些輔助部分如吊鉤裝置、起升絞車、導(dǎo)繩器等，在此不再做介紹。

圖8 伸縮臂

3 船用伸縮折疊起重機(jī)整機(jī)虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真

為完成船用伸縮折疊起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真，需要對(duì)起重機(jī)整體進(jìn)行虛擬裝配，虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過(guò)程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過(guò)程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。在Pro/E提供的自下而上的設(shè)計(jì)模式中，先在零件模塊中構(gòu)造各個(gè)零件的三維模型，然后在裝配模塊中建立零部件之間的連接關(guān)系，它是通過(guò)配對(duì)條件在零部件之間建立約束關(guān)系來(lái)確定零部件在產(chǎn)品中的位置。

在裝配元件時(shí)，若此元件為機(jī)構(gòu)中可移動(dòng)的元件，則要設(shè)置適當(dāng)?shù)倪B接條件，使此元件與現(xiàn)有組件上的元件連接在一起。不同的連接條件提供不同自由度及不同的移動(dòng)功能，以使元件能在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)有正確的運(yùn)動(dòng)方式。Pro/E中對(duì)動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)提供了多種連接條件，如剛性，銷釘，滑動(dòng)桿，圓柱等。

本起重機(jī)在虛擬裝配時(shí)，先將各部分進(jìn)行虛擬裝配，再將各部分進(jìn)行總裝。裝配過(guò)程在此不再贅述。當(dāng)各部分和總體裝配完成后，可在分析選項(xiàng)中選擇模型中的全局干涉檢測(cè)，結(jié)果顯示各零件設(shè)計(jì)尺寸及總裝不存在干涉。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是Pro/E Wildfire的一個(gè)應(yīng)用模塊，其功能是對(duì)組件產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析及仿真，這樣可以使原來(lái)在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得非常直觀和易于修改，從設(shè)計(jì)上將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉的可能性降到最低。本起重機(jī)在虛擬裝配完成后，為確認(rèn)起重機(jī)回轉(zhuǎn)、變幅、伸縮、折疊等運(yùn)動(dòng)中是否存在干涉，故對(duì)整機(jī)進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)仿真。如圖9所示，在回放中，可清楚看到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各部件運(yùn)動(dòng)位置，結(jié)果顯示各部件按照預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路線運(yùn)動(dòng)，基本臂與變幅臂、變幅臂與整機(jī)基座折疊角度合理，折疊后各構(gòu)件不發(fā)生干涉，為下一步起重機(jī)實(shí)物裝配提供重要的參考角度。

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用Pro/E，對(duì)20KN-9M船用伸縮折疊

式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬裝配及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，不但使機(jī)構(gòu)的造型形象化、可視化，而且也使整個(gè)仿真過(guò)程精確、高效，這是傳統(tǒng)的靜態(tài)的方法實(shí)現(xiàn)不了的。虛擬運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明，船用伸縮折疊式起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)是正確的，縮設(shè)計(jì)的變幅、回轉(zhuǎn)、伸縮、折疊等動(dòng)作是可行的。本虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真能精確確定各構(gòu)件的外形及各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相對(duì)位置。同時(shí)也為起重機(jī)液壓元件尺寸選擇提供較重要的參考數(shù)據(jù)，大大縮短起重機(jī)的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)。

圖9 起重機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

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