黃正球 胡 朋 許海翔

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200333)

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，門式起重機由于其具有場地覆蓋面和作業(yè)半徑大、適應(yīng)性強、作業(yè)效率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于碼頭及堆場。超載、突然加速等是起重機事故高發(fā)的主要原因，因此，針對起重機超載工況下、突然加速工況下進行分析是非常必要的，然而對這些工況進行現(xiàn)場試驗往往具有破壞性和危險性[1]。

本文以單主梁通用門式起重機為研究對象，運用ADAMS軟件的仿真分析，模擬門式起重機的超載工況和突然加速工況，通過試驗，掌握起重機受力變化及其抗傾覆性能，分析起重機可能發(fā)生的故障和危害。

1 門式起重機幾何建模

以某20 t的L形單主梁門式起重機作為研究對象，整機工作級別為A5，主要技術(shù)參數(shù)見表1。由于門式起重機是一個復雜的系統(tǒng)，加上ADAMS自身的建模功能有限，因此先根據(jù)設(shè)備的設(shè)計圖紙，運用PROE軟件對該門式起重機進行建模，并裝配完成三維CAD幾何模型，見圖1；再通過專門的接口程序?qū)階DAMS軟件，形成完整的虛擬樣機模型。轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵步驟，當模型過于復雜時，轉(zhuǎn)換容易出錯，為了避免這種情況，筆者對設(shè)備做了合理的調(diào)整，有效地降低了仿真計算的復雜程度，避免出錯，形成了有效的起重機虛擬模型，見圖2[1-2]。

表1 門式起重機技術(shù)參數(shù)

圖1 門式起重機三維CAD模型

圖2 ADAMS環(huán)境下起重機虛擬樣機模型

2 超載和動載試驗設(shè)計

本試驗主要研究以下內(nèi)容：1）超載時，門式起重機的受力情況；2）超載時，門式起重機是否會傾覆；3）砝碼突然加速上升時，門式起重機產(chǎn)生的附加動載荷；4）砝碼突然加速上升時，門式起重機是否會傾覆。

在本試驗中，筆者主要考慮3種情形：1）小車停放在起重機主梁的跨中；2）小車停放在起重機左邊懸臂端極限處；3）小車停放在起重機右邊懸臂端極限處。砝碼在前5 s內(nèi)靜止，然后開始加速上升，在設(shè)定的加速時間內(nèi)達到最大上升速度9.29 m/min（154.833 mm/s），然后砝碼再以最大上升速度勻速上升5 s，接著砝碼開始減速制動，制動停止后吊物在指定的高度靜止一段時間[3]。在本試驗中，大車和小車靜止不動，不考慮工作風壓，風載荷忽略不計。根據(jù)小車停放在不同的位置、不同的砝碼重量、不同的加速起升時間以及不同的制動時間，共設(shè)計了12種仿真試驗工況，各次試驗的參數(shù)取值參見表2。試驗中最危險的工況分別為1-4、2-4和3-4，因此本文主要介紹這3種工況下門式起重機仿真試驗結(jié)果。

表2 12種工況仿真試驗

3 試驗分析

3.1 主起升機構(gòu)鋼絲繩的拉力分析

在實際工作過程中，門式起重機通過卷筒來拉動鋼絲繩，實現(xiàn)鋼絲繩的伸長和縮短動作。鋼絲繩纏繞在固定滑輪組和安裝吊鉤的動滑輪組上，吊鉤以及所連接吊物在提升過程中會產(chǎn)生擺動，鋼絲繩的受力主要是沿兩端固定滑輪組和動滑輪組連線方向的拉力，而對吊鉤和吊物的擺動約束幾乎為0[4]。因此設(shè)計了球面副和平移副相結(jié)合的組合約束模型，來真實地模擬門式起重機的鋼絲繩與吊鉤系統(tǒng)[5-7]。在固定滑輪組與鋼絲繩連接處，設(shè)置球面副，實現(xiàn)鋼絲繩繞固定滑輪組的擺動和扭轉(zhuǎn)變形效果[5]；在固定滑輪組和動滑輪組連線方向設(shè)置移動副，可以實現(xiàn)動滑輪組和吊鉤重物的上升下降運動，并實現(xiàn)鋼絲繩拉力的傳遞。

工況1-4、工況2-4和工況3-4下鋼絲繩的靜態(tài)拉力大約為392 kN，最大的動態(tài)拉力大約為412 kN，試驗結(jié)果見圖3和表3[6]。

表3 主起升機構(gòu)鋼絲繩的拉力

圖3 鋼絲繩拉力的變化曲線

從試驗結(jié)果可以看到：砝碼在超載情況下，鋼絲繩拉力劇增，砝碼重量與鋼絲繩拉力成線性正比；特別是在加速的進程中，鋼絲繩的動載效應(yīng)顯現(xiàn)；提升加速度越大，鋼絲繩的拉力也越大。對于本試驗分析的工況1-4、工況2-4和工況3-4的拉力，和靜態(tài)工況時相比較，大約增加了5%。

3.2 大車車輪與軌道間的接觸力分析

門式起重機大車通過4個車輪與軌道接觸，在正常情況下大車車輪與軌道接觸，產(chǎn)生相互作用的法向接觸力和摩擦力；通過主動車輪與軌道之間摩擦力產(chǎn)生的力矩，驅(qū)動大車前進或后退；如果因種種原因車輪與軌道脫開，則大車車輪與軌道間的相互作用力則為0。因此在大車車輪與軌道間施加了接觸力約束[1，7]。當2個構(gòu)件相互接觸且發(fā)生變形時，產(chǎn)生接觸力，接觸力的大小與變形的大小以及變形的速度有關(guān)，如果2個構(gòu)件相互分開不接觸，則接觸力為0[8]。根據(jù)2個構(gòu)件之間法向接觸力的大小，可以確定接觸處的切向摩擦力值。在ADAMS中，接觸力的計算式見式（1）：

式中：

STEP（q，q0-d，1，q0，0)——連續(xù)階梯函數(shù)；

q——2個構(gòu)件之間的實際距離；

q0——開始接觸的觸發(fā)距離；

K——接觸剛度系數(shù)；

C——阻尼系數(shù)；

d——阻尼的過度變形深度。

當小車空載時，主動車輪和被動車輪作用于大車軌道上的接觸力如圖4～圖6所示。當小車位于跨中時，兩側(cè)主動輪、被動輪和軌道接觸力穩(wěn)定后均值分別約為240 kN和160 kN；當小車位于懸臂端時，懸臂端側(cè)主動輪和被動輪與軌道間接觸力分別約為270 kN和175 kN，另一側(cè)則約為210 kN和145 kN。

圖5 小車空載位于左側(cè)懸臂端時左右兩側(cè)主動輪接觸力

圖6 小車空載位于左側(cè)懸臂端時左右兩側(cè)被動輪接觸力

工況1-4、工況2-4和工況3-4下大車車輪作用于大車軌道上的力的仿真試驗結(jié)果見表4。

表4 大車車輪作用于大車軌道上的接觸力

仿真結(jié)果表明：1)大車車輪作用于大車軌道上的力主要取決于吊物的重量和起重機自重；2)不同的小車位置，主動輪和被動輪作用于軌道上的力也有微小變化；3) 當小車和吊物靜止時，主動輪和被動輪作用于大車軌道上的接觸力基本保持不變；4) 在突然起吊過程中，由于動載荷的作用，車輪作用于大車軌道上的力又有所變化，但是變化微乎其微。

3.3 仿真試驗總結(jié)

通過以上危險工況的仿真，可以得出以下結(jié)果：1）在吊物超載和加速提升的過程中，動載拉力與加速度、重物重量有很大的關(guān)系，重量越大，鋼絲繩拉力越大，加速度越大，鋼絲繩所受的拉力也隨之增加。雖然在超載和動載工況下，鋼絲繩未破斷，以及整機未傾覆，但是鋼絲繩安全系數(shù)銳減，大大影響使用壽命，存在較大的安全隱患。因此，在設(shè)計和使用過程中，應(yīng)該盡量避免超載和急加、減速；2）大車車輪與軌道接觸力的大小主要與吊物重量、起重機自重有關(guān)，受小車位置、加速起吊以及減速制動影響較小，接觸力始終遠遠大于0，說明大車車輪沒有脫離軌道，未發(fā)生傾覆[6]。

4 結(jié)束語

通過對門式起重機虛擬樣機建模，對起重機超載和動載工況進行了模擬仿真試驗，獲得了在各種極端工況下門式起重機的鋼絲繩拉力變化、大車車輪與軌道接觸力變化等數(shù)據(jù)結(jié)果，為使用單位編制安全操作規(guī)程、建立事故應(yīng)急預案指明了方向，為制造單位提供了設(shè)計依據(jù)，為檢驗機構(gòu)檢驗檢測、安全評估指明了方向，為監(jiān)管部門科學地制定專項整治提供了技術(shù)支持，從而大大提高起重機的安全性。