高建橋

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風(fēng)電起重機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究

高建橋

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

當(dāng)前風(fēng)電起重機(jī)研究方法以靜力學(xué)為主，得到數(shù)據(jù)誤差較大，參考價(jià)值有限。為了更好對(duì)風(fēng)電起重機(jī)的不同運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，文章運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)風(fēng)電起重機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析研究，根據(jù)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，推導(dǎo)出風(fēng)電起重機(jī)臂架在變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)載荷特性，結(jié)合風(fēng)電起重機(jī)剛體模型中機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析研究，驗(yàn)證虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電起重機(jī)的可行性和準(zhǔn)確性。

風(fēng)電起重機(jī)；虛擬樣機(jī)技術(shù)；動(dòng)力學(xué)分析；剛體模型

1 緒論

自二十世紀(jì)中期以來，圍繞計(jì)算機(jī)開發(fā)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法和軟件成為當(dāng)前世界上機(jī)械設(shè)計(jì)研究的主流。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)類軟件經(jīng)過幾十年的發(fā)展，逐步成熟和完善，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供了更為便捷的方法和廣闊的思路，打破了各個(gè)領(lǐng)域的界限，使得科學(xué)的發(fā)展不再圍繞著某一個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行而是全面發(fā)展，這為科技的發(fā)展開創(chuàng)了新的領(lǐng)域[1,2]。

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為新興的技術(shù)，對(duì)我國(guó)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展是不可估量的，虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠更好的融合現(xiàn)代優(yōu)秀元素、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù)，將這些輔助的系統(tǒng)加以統(tǒng)籌管理，使得更好的為設(shè)計(jì)研發(fā)服務(wù)，縮減產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期[3]。其中應(yīng)用最為廣泛的為MSC/ADAMS軟件。通過虛擬仿真技術(shù)可以快速的吸收國(guó)外優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使得能夠快速的實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的開發(fā)和舊產(chǎn)品的升級(jí)，也為我國(guó)風(fēng)起起重機(jī)的發(fā)展提供了一個(gè)很好的契機(jī)[4]。但是虛擬樣機(jī)技術(shù)在風(fēng)電起重機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用上還存在很多不足，主要為：

（1）虛擬樣機(jī)技術(shù)在風(fēng)電起重機(jī)械領(lǐng)域的研究過于簡(jiǎn)單和單調(diào)，缺乏對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀況的研究。

（2）虛擬樣機(jī)技術(shù)在起重機(jī)械領(lǐng)域的研究大部分還僅處在理論階段，缺少相應(yīng)的驗(yàn)證。

2 風(fēng)電起重機(jī)機(jī)構(gòu)載荷特性

2.1 變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷特性

風(fēng)電起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行中，其動(dòng)載荷為臂架在它所在的垂直平面內(nèi)的振動(dòng)[5,6]。由于風(fēng)電起重機(jī)在變幅過程中的振動(dòng)周期遠(yuǎn)小于臂架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期，因此在考慮風(fēng)電起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)載荷時(shí)，可以把吊重機(jī)組看做是靜載荷附加在臂架結(jié)構(gòu)上。風(fēng)電起重機(jī)的變幅系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為如圖1所示的雙質(zhì)量單自由度的計(jì)算模型。

圖1 起重機(jī)變幅系統(tǒng)計(jì)算模型

風(fēng)電起重機(jī)臂架變幅鉸點(diǎn)出彎矩為：

由公式（1）可以了解到風(fēng)電起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是與自身結(jié)構(gòu)的特性和電機(jī)的特性以及自身尺寸有關(guān)的一個(gè)余弦函數(shù)，變幅鉸點(diǎn)處的彎矩的極值與變幅過程中相位角的取值有關(guān)。

2.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷特性

風(fēng)電起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行中，其動(dòng)載荷主要體現(xiàn)在風(fēng)電起重機(jī)臂架頭部，方向與臂架垂直，由于風(fēng)電機(jī)組在回轉(zhuǎn)過程中振動(dòng)周期遠(yuǎn)小于臂架自身的振動(dòng)周期，因此在風(fēng)電起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行中可以把風(fēng)電機(jī)組在水平方向的載荷看做是靜載荷附加在臂架上[5,6]。在此基礎(chǔ)上風(fēng)電起重機(jī)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化為如圖2所示。

圖2 起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)計(jì)算模型

風(fēng)電起重機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為階躍載荷，其等效到風(fēng)電起重機(jī)中心的轉(zhuǎn)矩為：

臂架式起重機(jī)回轉(zhuǎn)過程中，其最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T為起重機(jī)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的1.5~2.0倍，由此可知：

3 風(fēng)電起重機(jī)剛體模型動(dòng)力學(xué)分析

3.1 變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

圖3 臂架下鉸點(diǎn)彎矩曲線

由圖3可知，在變幅運(yùn)行中臂架鉸點(diǎn)的彎矩與余弦變化的相位角有關(guān)，符合公式（2）的推導(dǎo)，得出結(jié)果與實(shí)際相符合。

3.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

圖4 回轉(zhuǎn)阻力鉅曲線

4 結(jié)論

以風(fēng)電起重機(jī)剛性體模型為藍(lán)本，分別對(duì)其變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，通過仿真結(jié)果與前邊的理論分析比對(duì)，驗(yàn)證虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用與風(fēng)電起重機(jī)的可行性和準(zhǔn)確性。

[1] 陳峰華.2012虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2013.

[2] 姜士湖,閏相禎.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用前景[J].機(jī)械2003(1):4~7.

[3] 李瑞濤.虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及應(yīng)用[J].機(jī)電一體化,2000(5):17~ 19.

[4] 張旭.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的鑄造起重機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真研究[D].北京工業(yè)大學(xué),2016.

[5] 胡宗武,閻以誦.起重機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

[6] 胡宗武,顧迪民.起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社,1989.

[7] GB/T3811-2008.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Application research on virtual prototype technology of wind power crane

Gao Jianqiao

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electrical Power University, Henan Zhengzhou 450045 )

At present, the research method of wind power crane is mainly based on statics, which results in large data error and limited reference value.In order to better analyze the wind power crane different running conditions, this paper USES the virtual prototype technology for dynamic analysis of wind power crane, according to the theory of multi-body system dynamics, wind power is deduced in luffing mechanism and the rotary motion of crane booms in the dynamic load characteristics, simulation of wind power crane rigid body dynamics model of mechanism analysis, verify the feasibility of virtual prototype technology is applied to wind power crane and accuracy.

wind power crane;Virtual prototyping technology;Dynamic analysis;The rigid body model

U462

A

1671-7988(2019)09-60-02

U462

A

1671-7988(2019)09-60-02

高建橋 (1990- )，男，就讀于華北水利水電大學(xué)，專業(yè)：機(jī)械工程。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.018