本篇文章给大家谈谈钢丝绳圆形钢套，以及圆形钢丝网的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。
文章详情介绍：
起升机构钢丝绳缠绕系统建模及摇摆仿真分析
曹旭阳 付林生 邢 烨
大连理工大学机械工程学院 大连 116024
摘 要：通过虚拟样机技术建立了典型桥式起重机模型并仿真分析其不同工况下吊重的摇摆特性，以通用桥式起重机的三倍率起升机构钢丝绳缠绕系统为研究对象，采用虚拟样机技术，在ADAMS 中建立起升机构动力学仿真模型。采用ADAMS/Cable 模块对钢丝绳缠绕系统建模，并对其添加约束和驱动以进行各种工况下的仿真运动，得到吊重的摇摆曲线。对比仿真结果，得出了吊重的摇摆规律：急停工况时吊重的摇摆最大；大车单独运行工况次之。吊重起降过程中吊重并非是竖直移动，而是与起升方向存在一定的角度。
关键词：起升机构；钢丝绳；ADAMS；缠绕系统
中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）18-0043-06
0 引言
起重机是能在一定范围内垂直起降和水平搬运重物的多动作起重机械[1]。以桥式起重机为例，其工作时大、小车需要频繁起动、制动，在惯性作用下，吊具或吊重会产生一定的摇摆，影响搬运物料时的精确定位。在实际作业时，需尽量保证吊重的摇摆角度不超过10° ，但起重机一般由人工手动操作，吊重就位依赖操作人员的实际工作经验，这是引起安全隐患、作业低效的重要原因之一。据不完全统计，传统起重机在装卸过程中，有超过三分之一时间消耗在吊重消摆上[2]，这严重影响了起重机的工作效率。要提高效率，在起动、制动过程中就需要大的加速度。此外，在生产过程中对起重机的精确定位也有较高要求，例如，用于核反应堆搭建和操作的核环吊系统，必须在提升几百吨重物的过程中使重物的水平位移偏差控制在每10 m 小于5 mm 的范围内[3]。
研究人员对起重机的虚拟仿真进行了大量研究，主要集中在对起重机运行过程中各部件受力分析及对起重机桥架方面的仿真分析，对起升机构钢丝绳缠绕系统的仿真分析和运行过程中吊重的摇摆研究相对较少。贾智宏等[4] 采用先在Pro/E 中建模，然后将模型导入ADAMS 中的方法对滑轮绳索机构建模；李永波等[5]提出了用线性衬套来模拟绳节之间受力的多刚体动力学模型，运用ADAMS 宏命令建立滑轮绳索机构的虚拟样机进行仿真；Wang 等[6] 以ADAMS 为基础，建立绳绕圆柱螺旋的参数耦合模型，研究钢丝绳的动力学和承载特性；Wu 等[7] 建立了基于ADAMS 的起重机起升机构动态模型，实现了可移动滑轮提升机制的灵活模拟。
Grützner[8] 对起重机起升机构的仿真方法进行了介绍说明。Escalona 等[9] 提出了一种缠绕系统柔性多体建模的离散化方法，并对塔式起重机进行了动力学仿真。本文利用简化法对起升机构钢丝绳缠绕系统进行建模，每个滑轮周围钢丝绳长度由相同滑轮虚拟部件间的角度确定。利用微分方程，通过对滑轮角速度的积分确定钢丝绳的物理长度。钢丝绳的拉力由钢丝绳的纯几何形状和物理长度间差异计算得出。只在滑轮上施加适当的作用力来达到钢丝绳与滑轮的摩擦效果。简化法提供了一种非常快速的解决方案，在钢丝绳质量和惯性效应在传输效应方面可忽略不计的情况下，可以在滑轮上产生精确的负载。根据从系统中增加和减少钢丝绳的长度来考虑绞车效应。在建模期间，滑轮可相对基面偏移，在平面内和平面外旋转。在仿真过程中，钢丝绳可与滑轮分离, 但在建模过程中钢丝绳要与滑轮啮合。滑轮必须是圆形，且在仿真过程中不可移动过多，避免缠绕顺序发生变化。
1 DQQD 型10 t 桥式起重机建模
DQQD 型10 t 桥式起重机使用的卷筒直径为400mm，钢丝绳直径为14.5 mm。起升机构的起重量为10 t，起升速度为8.5 m/min，起升高度为16 m，工作级别为M5，滑轮组倍率为3。大车轨距为10.5 m，运行速度为90.7 m/min，缓冲行程为140 mm，工作级别为M5。小车距为2 m，运行速度为43.8 m/min，缓冲行程为40mm，工作级别为M5。模型建立的详细过程如下：
1）根据图纸使用link 建立吊钩(PART_2)，使用body 建立卷筒（PART_72 和PART_73），使用body 和布尔运算建立大车(PART_76)、小车(PART_80) 和吊重(PART_71)，将其移动至合适的位置。
2）建立锚点，锚点的具体参数见表1。
3）滑轮的名称为hua2，宽度为37 mm，深度为22.5 mm，半径为7 mm，角度为20°。
4）缠绕系统滑轮的建立信息见表2，材料选择钢。
5）钢丝绳的密度和弹性模量选用钢的属性，其他参数默认，求解器自动。建模方法选简化法。钢丝绳直径14.5 mm，名称Raise。起始锚点选Qi，终止锚点选Zhong，根据图1 确认缠绕顺序a1、b1、a2、b2、a3。
6）添加约束，对吊重和吊钩添加转动副，大车相对地面、小车相对大车、卷筒相对小车添加移动副。
7）添加驱动，对移动副添加驱动并根据仿真要求输入驱动函数。
8）对吊重、小车和卷筒添加测量，模型建立完成，见图2。
图 1 10 t 钢丝绳缠绕简图
图2 DQQD 型10 t 桥式起重机模型
2 DQQD 型10 t 桥式起重机仿真
2.1 仿真
1）驱动1 对大车施加驱动，类型为速度，1 ～ 3 s以500 mm/s2 的加速度从0 开始加速，3 ～ 7 s 以1 500mm/s 的速度匀速运行，7 ～ 10 s 以500 mm/s2 的加速度从1 500 mm/s 减速到0，速度曲线见图3。
图3 驱动1 速度- 时间曲线
2）驱动2 对小车施加驱动，类型为速度，1 ～ 2s 以365 mm/s2 的加速度从0 开始加速，2 ～ 8 s 以730mm/s 的速度匀速运行，8 ～ 10 s 以365 mm/s2 的加速度从1 500 mm/s 减速到0，速度曲线见图4。
图4 驱动2 速度- 时间曲线
3）驱动3 绞车向内收绳，1 ～ 2 s 以210 mm/s2 的加速度收绳，2 ～ 8 s 以420 mm/s 的速度收绳，8 ～ 10s 以-210 mm/s2 的加速度收绳，绳的速度曲线见图5，位移曲线见图6。对卷筒添加驱动，使卷筒相互靠近，类型为位移，绳的位移是绳的位移乘卷筒节距再除卷筒的周长。
4）驱动4 绞车向外放绳，1 ～ 2 s 以210 mm/s2 的加速度放绳，2 ～ 8 s 以420 mm/s 的速度放绳，8 ～ 10s 以-210 mm/s2 的加速度放绳，绳的速度曲线见图5，位移曲线见图6。对卷筒添加驱动，使卷筒相互远离，类型为位移，绳的位移是绳位移乘卷筒节距再除卷筒的周长。
图5 钢丝绳速度- 时间曲线
图6 钢丝绳位移- 时间曲线
对各种工况进行仿真：大车单独运动，添加驱动1；小车单独运动，添加驱动2；吊重单独起升，添加驱动3；吊重单独下降，添加驱动4。
5）大车突然停止运动 对大车施加驱动，类型为速度，1 ～ 3 s 以500 mm/s2 的加速度从0 开始加速，3 ～ 7s 以1 500 mm/s 的速度匀速运行，7 ～ 7.5 s 以500 mm/s2 的加速度从1 500 mm/s 减速到0，速度曲线见图7。
图7 工况5 大车速度- 时间曲线
6）小车突然停止运动 对小车施加驱动，类型为速度，1 ～ 2 s 以365 mm/s2 的加速度从0 开始加速，2 ～ 8s 以730 mm/s 的速度匀速运行，8 ～ 8.5 s 以365 mm/s2的加速度从730 mm/s 减速到0，速度曲线见图8。
图8 工况6 小车速度- 时间曲线
仿真结果如表3 所示，各工况的最大偏移大小如表4 所示。观测点为吊重的质心，X 方向为小车运动方向，Y 方向为吊重起降方向，Z 方向为大车运动方向。
2.2 仿真结果分析结论
1）吊重的偏移在减速过程中达到最大。从仿真结果图可知偏移最大值出现在7 s 之后，此时机构处于减速阶段。偏移最大的工况为急停工况，其次为大车单独运动的工况。
2）吊重在机构的主运动方向偏移较大，如工况1大车的主运动方向Z 的偏移值达到660.409 5 mm，比其在X 方向的偏移值4.096 3 mm 大了数百倍；工况2 小车的主运动方向X 的偏移值达到313.158 9 mm，比其Z方向的偏移值2.372 4 mm 大了数百倍。
3）机构急停会影响作业安全，在工况5 大车急停时，吊重在Z 方向的偏移达到了1 190.258 8 mm，吊重初始距离卷筒309 0 mm，偏移最大时摇摆角度arctan（1190.258 8/3 090）=21.07º，超过了10°的安全角度。
3 定滑轮位置对起升偏移的影响
定滑轮的位置会对起重机吊重起升的偏移产生影响，为了解位置产生影响的规律。通过改变其定滑轮的位置，来观察起升过程中吊重偏移的变化。
选择上述建立的模型，改变其定滑轮的位置，对模型的起升过程仿真，得到表5、表6 所示结果。
通过仿真可看出，随着定滑轮与卷筒的距离越来越远，吊重的偏移也逐渐变大。因此，为了减小吊重起降过程中的偏移，定滑轮组与卷筒距离应尽可能的小。因此在设计起重机时，通过调节各部件的布局来使定滑轮组与卷筒距离足够小，以此减小吊重起降过程中的摇摆。
4 吊重质量对摇摆影响
为研究吊重的质量对摇摆的影响，通过改变吊重的质量，来观察大车急停过程中吊重偏移的变化。选择上述建立的模型，改变吊重的质量，对模型的大车急停过程仿真，得到表7、表8 所示结果。
从仿真结果可知，吊重的质量与其偏移无关。从表8 中看出，各方向的偏移大小与吊重质量无关，偏移的差值在1 mm 以内，可认为其偏移相等。
5 结论
1）选取了3 倍率的起升机构，利用ADAMS 建立模型，其中钢丝绳系统采用Cable 模块。
2）对建立模型进行不同工况分析，得到摇摆曲线并进行分析。
3）通过仿真得到定滑轮位置和吊重质量对吊重起升偏移的影响。
4）分析可得吊重的摇摆遵循以下规律：吊重的偏移在减速过程中达到最大。偏移最大的工况为急停工况，此时，吊重的摇摆角度会超过最大安全角度。故在起重机作业时尽量避免急停工况。吊重起降过程中吊重并非是竖直移动，而是与Y 轴存在一定的角度。偏移的大小与吊重质量无关，与定滑轮位置有关，定滑轮与卷筒距离越近，偏移越小。
参考文献
[1] 沈琛林. 桥式起重机模拟器系统构建及关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.
[2] 郭瀛舟. 基于PID-LQR 的起重机系统防摇控制研究[D].上海：东华大学，2017.
[3] 齐朝晖，国树东. 滑轮绳索系统中动态节点绳索单元[J].力学学报，2019（6）：1-14.
[4] 贾智宏，周克栋. 滑轮- 绳索机构建模方法研究[J]. 机械工程师，2007(3)：74，75.
[5] 李永波，魏禹. 基于虚拟样机滑轮—绳索机构的建模及仿真分析[J]. 应用科技，2013(3)：1-5.
[6] Wang J J，Cao G H，Song J，et al.Winding Modeling and Driving Method of Varying Length Rope Based on ADAMS[J].Applied Mechanics & Materials，2012（201-202）：43-46.
[7] Wu F Q，Zhang J，Yao W Q.Movable Pulley Movement Characteristic Analysis Based on ADAMS[J].Advanced Materials Research，2014（1 030-1 032）：1 210-1 214.
[8] Grützner S.System Simulation of Cranes and Wire Rope Hoists[J].ATZoffhighway worldwide，2017（10）：26-29.
[9] Escalona J L，Orzechowski G.Flexible multibody modeling of reeving systems including transverse vibrations[J]. Multibody System Dynamics，2018，44(2)：107-133.