橋式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真分析

杜海鵬 丁瑞敏

（河南省大方重型機(jī)器有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400）

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橋式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真分析

杜海鵬 丁瑞敏

（河南省大方重型機(jī)器有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400）

摘 要：本文以橋式起重機(jī)作為研究對(duì)象，并應(yīng)用ADAMS技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，其結(jié)果既驗(yàn)證了大車運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)載計(jì)算方程，同時(shí)也再現(xiàn)其真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。此外，使用SolidWorks等大型三維軟件及VC++6.0等高級(jí)語(yǔ)言程序?qū)ζ溥M(jìn)行建模、編程和模塊劃分，實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī)；動(dòng)態(tài)仿真；動(dòng)載；參數(shù)化

0. 引言

橋式起重機(jī)是目前工程機(jī)械領(lǐng)域里的一個(gè)重要類型，在各大行業(yè)中均有一席之地。其機(jī)構(gòu)使載重小車或起重機(jī)做水平運(yùn)動(dòng)，以此完成搬運(yùn)工作。運(yùn)用機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念和現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法，通過(guò)三維軟件的特征建模和參數(shù)化技術(shù)對(duì)其運(yùn)行機(jī)構(gòu)同系列產(chǎn)品間存在的相似功能或結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成橋式起重機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬，從此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高效快速發(fā)展。橋式起重機(jī)的快速二次開(kāi)發(fā)已成為新世紀(jì)發(fā)展的迫切需求。

1. 橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)模塊劃分及系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

1.1 傳動(dòng)方案分析與模塊劃分

橋式起重機(jī)的運(yùn)作機(jī)構(gòu)由兩個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)組成，他們分別是傳動(dòng)裝置和支承裝置，包括大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。按照模塊化的設(shè)計(jì)思路對(duì)其模塊劃分，其中起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)分為單主梁小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、雙梁小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、分別驅(qū)動(dòng)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和集中驅(qū)動(dòng)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，而這四大機(jī)構(gòu)又共同構(gòu)成運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置和運(yùn)行支承裝置。連軸器、減速器、制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)等其他零部件主要應(yīng)用了運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置，而軌道和車輪組等均衡類裝置大部分則涵蓋了運(yùn)行支承裝置。

小車采用單主梁布置，其運(yùn)行機(jī)構(gòu)可根據(jù)支承的形式分為3個(gè)支點(diǎn)（水平反滾輪式）和二支點(diǎn)（垂直翻滾輪式）兩種。大車運(yùn)作機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案分為兩類：集中傳動(dòng)以及分別傳動(dòng)。而通過(guò)低速集中傳動(dòng)的方式來(lái)布置、運(yùn)行更適合小跨度的運(yùn)作機(jī)構(gòu)。而在橋式起重機(jī)的重用跨度（10.5m～32m）范圍內(nèi)，以分別傳動(dòng)方式為主的布置形式足矣。對(duì)于雙梁小車，集中驅(qū)動(dòng)往往更合適。由于減速器的布置形式，其傳動(dòng)方案有兩種，第一種是把減速器裝在兩車輪之間，第二種則將減速器安裝于小車旁邊，兩種方案皆可對(duì)應(yīng)其布置形式。

1.2 運(yùn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)思路

參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是首先定下傳動(dòng)方案，隨后根據(jù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算校準(zhǔn)，最后再對(duì)零部件的選型做抉擇。這樣做的原因是運(yùn)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案有多種布置形式，并且每一種形式都有著不同型號(hào)與規(guī)格的同系列零部件。對(duì)系列零部件在機(jī)構(gòu)中的運(yùn)行展開(kāi)參數(shù)化設(shè)計(jì)，本文是以雙梁橋式起重機(jī)小車在機(jī)構(gòu)中的一種布置形式為典例，由自下而上的設(shè)計(jì)思路可知，建立三維模型庫(kù)，而裝配體模型則通過(guò)添加配合關(guān)系來(lái)構(gòu)造。

MFC和ATL模板是Visual C++6.0實(shí)現(xiàn)COM編程的兩種方式。為便于在SolidWorks環(huán)境下的使用，本文堅(jiān)持以基于ATL模板的COM編程來(lái)做DLL文件的插件。

2. 運(yùn)行機(jī)構(gòu)系列零件模型庫(kù)

軟件SolidWorks是一種高端參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，它的重要特征尺寸驅(qū)動(dòng)能在本次建模中發(fā)揮重要作用。有3種途徑能在環(huán)境下實(shí)現(xiàn)通用件、標(biāo)準(zhǔn)件等系列零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，他們分別是：

（1）SolidWorks提供的API接口函數(shù)編程。先由程序語(yǔ)言完成特征創(chuàng)建，使用VC++、VB等編程工具建立三維模型，進(jìn)而成功完成零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。靈活性與通用性是這種方法的優(yōu)點(diǎn)，但編程工作量過(guò)于繁雜讓許多人都旋轉(zhuǎn)放棄這種方法。

（2）SolidWorks“系列零件設(shè)計(jì)表”。在插入“系列零件設(shè)計(jì)表”之前，首先建立零件模型，隨后將模型中應(yīng)用的特征尺寸等參數(shù)引入Excel表格中，完成系列零件設(shè)計(jì)表之后便可生成系列零件。

（3）新參數(shù)模型——添加“配置”。步驟：①添加“配置”，確定項(xiàng)目名稱；②實(shí)事求是，修改模型，創(chuàng)造出多種風(fēng)格的設(shè)計(jì)作品。通過(guò)更改各類屬性（如模型尺寸）以達(dá)到在單一的文件里產(chǎn)生出多個(gè)零件和裝配體的設(shè)計(jì)。該方法操作簡(jiǎn)單，形狀或結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的產(chǎn)品可以通過(guò)該方法建立系列模型。

在此說(shuō)明，模型庫(kù)的建立主要采用配置的方式完成，是根據(jù)運(yùn)行機(jī)構(gòu)中零部件規(guī)格型號(hào)和形狀外觀所決定的，換句話說(shuō)，這樣的方法是針對(duì)同系列零部件提供不同的產(chǎn)品配置。

3. 橋式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬與仿真試驗(yàn)

3.1 方案確定

確立主要性能參數(shù)和起重機(jī)類型是進(jìn)行橋式起重機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬的關(guān)鍵。在此，舉例：電動(dòng)雙梁橋式起重機(jī)。測(cè)量并確定跨度S、起升高度H、定起重量G、小車運(yùn)行速度V1、大車運(yùn)行速度V2、起升速度V3和起重機(jī)工作級(jí)別，之后進(jìn)行起重機(jī)的零部件選用和設(shè)計(jì)。得到計(jì)算結(jié)果后，通過(guò)Solidworks對(duì)主要零部件進(jìn)行裝配及三維造型，并建立虛擬樣機(jī)。隨后，再用COSMOSMation對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉分析，主要分析運(yùn)行機(jī)構(gòu)中零部件的力矩、作用力與反作用力、速度、加速度等，從而達(dá)到分析裝配體模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的目的，并用表格、圖形、動(dòng)畫(huà)等形式表示小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型。輸出結(jié)果出來(lái)后，根據(jù)結(jié)果分析，調(diào)整修改零部件的結(jié)果材料和參數(shù)，修改之后再次反饋到原裝配模型中，再次重新進(jìn)行分析結(jié)果，反復(fù)步驟直至到達(dá)滿意理想的設(shè)計(jì)成果為止。

3.2 建立三維模型

橋式起重機(jī)用于運(yùn)動(dòng)模擬的三維模型分為兩大板塊：零部件模型以及虛擬樣機(jī)。

（1）虛擬樣機(jī)

建立簡(jiǎn)單易懂框架并快速設(shè)計(jì)三維模型，同時(shí)模擬仿真小車和大車的運(yùn)行情況，必要時(shí)添加適當(dāng)?shù)募s束條件，偵查干涉情況，然后據(jù)實(shí)情進(jìn)行真實(shí)裝配，以確保運(yùn)動(dòng)模擬方案的可行性。這就是虛擬樣機(jī)的作用，以下介紹虛擬樣機(jī)裝配的順序及方法：

①首先將大車一端梁為基礎(chǔ)部件，按順序插入兩個(gè)主梁及“三合一”驅(qū)動(dòng)裝置和右端梁，再以時(shí)間裝配關(guān)系為依照，裝配時(shí)添加合適的約束條件進(jìn)行裝配，這樣能新建立裝配體構(gòu)造，建立成大車橋架及其運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

②隨后將小車架作為基礎(chǔ)零件，根基實(shí)際需求和裝配關(guān)系建立小車的裝配體模型。

③最后再以大車車架為基礎(chǔ)零件，大車車輪、小車架和小車車輪一次插入其中，同樣，根據(jù)實(shí)際的需求和裝配關(guān)系添加合適的約束條件，完成虛擬樣機(jī)的建立。

（2）零部件模型

零部件的構(gòu)造、組成及裝配關(guān)系是零部件模型的分析三大曲。零部件選型完成后，遵循“自下而上”的設(shè)計(jì)思路添加配合各項(xiàng)零部件，形成三維模型式的裝配體。根據(jù)在特征化三維模型的基礎(chǔ)上建立的基本思想，適當(dāng)簡(jiǎn)化零部件模型，規(guī)劃零部件特征，然后忽略輔特征和次要特征，將主要特征完整反映出來(lái)。

端梁連接主梁共同構(gòu)成橋架，在測(cè)定端梁和主梁的截面及尺寸后，分別建模并對(duì)其進(jìn)行裝配，之后再安裝起重小車的軌道。降低計(jì)算程度的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化模型的建立，使得結(jié)構(gòu)更為緊湊。小車由主動(dòng)車輪和浮動(dòng)軸連接，運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用集中驅(qū)動(dòng)裝置。與此同時(shí)，大車減速器直接則直接套裝于主動(dòng)輪軸之上，其運(yùn)行機(jī)構(gòu)使用“三合一”驅(qū)動(dòng)裝置。起重小車的聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)、減速器及車架等部件以簡(jiǎn)易模型為宜。

3. 動(dòng)態(tài)模擬

本文此次運(yùn)動(dòng)模擬是在COSMOSMotion的虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行。

添加適當(dāng)?shù)募s束條件，使得小車與小車軌道、大車與大車軌道為平副面。隨后，將大車的軌道屬性設(shè)為靜止，而其他部件的屬性均設(shè)為運(yùn)動(dòng)部件。在其智能運(yùn)動(dòng)構(gòu)建器中設(shè)置時(shí)間單位為s，力的單位為N，重力加速度為9.8N/s2，將動(dòng)畫(huà)時(shí)間設(shè)置為20s，動(dòng)畫(huà)幀數(shù)取默認(rèn)值。

對(duì)小車和小車軌道、大車和大車軌道這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的速度和加速度進(jìn)行賦值，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，在此同時(shí)，于COSMOSMotionsde中輸出的結(jié)果，即可完成AVI的制作。

結(jié)語(yǔ)

（1）以SolidWorks的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)于運(yùn)行機(jī)構(gòu)中的一種布置形式而言，將開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)為VC++6.0 的ATL模板，進(jìn)行編程，系統(tǒng)能根據(jù)使用者輸入不同的參數(shù)數(shù)據(jù)，智能化建立起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的三維模型。將軟件技術(shù)融入起重機(jī)的模型建立中，不僅能將設(shè)計(jì)效率提高翻倍，還能使設(shè)計(jì)時(shí)間即時(shí)間周期明顯縮短。

（2）仿真模擬真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，檢查運(yùn)動(dòng)干涉情況，可應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模擬軟件對(duì)各種情況運(yùn)動(dòng)模擬，橋式起重機(jī)的裝配樣機(jī)和零部件模型可用三維軟件來(lái)建立。通過(guò)這樣的仿真模擬活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)零部件的各項(xiàng)性能參數(shù)數(shù)據(jù)，可在原有基礎(chǔ)之上進(jìn)一步完善和修改設(shè)計(jì)方案和參數(shù)，以此到達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平提高的目的。

（3）根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)的二次改造需要參考其本身的功能性質(zhì)和發(fā)展特征等具體情況，不同情況采用不同方案分析，開(kāi)發(fā)的基本原則為簡(jiǎn)單、智能、現(xiàn)代化及高效。不斷求變才能達(dá)到理想效果。

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中圖分類號(hào)：TP27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A