集裝箱正面吊運車防傾覆過載保護裝置動力學建模與分析

張連文，李科成，李立新，田亞，趙海濱，胡旭超

（天津商業大學，天津 300134）

正面吊運車主要是用于集裝箱碼頭的大型港口機械設備，也是用于鐵路中轉站、公路中間站以及集裝箱貨場的主要物流設備，具有機動靈活、操作方便、穩定性好、輪壓低、堆碼層數高、視野好、作業幅度大等優點。正面吊運車既可隔排吊箱，也可沿一定角度吊箱，使其可以適應狹窄通道作業，提高場地利用率。其車架借鑒重型叉車，臂架類似于汽車起重機，因而正面吊運車能起到叉車與汽車吊的雙重作用。

近年來，由于港口建設和物流業的發展，該產品的市場需求量迅速擴大。目前國內多數使用進口產品，本文設計的產品為國內企業首次成功開發。吊具下額定起重量為45 t，最大起升高度為15.1 m，最大作業幅度為6.3 m，最大空載/滿載起升速度分別為420/250 mm/s。

安全可靠是裝卸搬運起重機械產品設計開發時首要考慮的問題[1-4]。為了提高作業的安全可靠性能，特別設計了一套防傾覆過載保護裝置。本文基于ADAMS軟件進行了正面吊運車防傾覆過載保護裝置的機構動力分析，為設計出安全可靠的正面吊運車發揮了重要作用。第一臺產品在天津港使用已滿3 a，目前已生產200多臺，安全可靠性也通過了有關標準的實驗測試和市場的實際檢驗[5-7]。

1 ADAMS動力分析模型

1.1 二維幾何模型

過載保護裝置是本產品在開發設計時，為防止起吊載荷超重導致正面吊運車傾覆而設計的重要安全保護機構。如圖1所示，該裝置關聯的部件有前耳板、腹板、上下翼緣板、左右后耳板、連鎖、下鎖以及左右后輪胎、左右后輪輞、轉向油缸、后橋下配重等。

在正面吊運車工作的過程中，靠傳感器來自動檢測連鎖鉤點水平位移。當轉向橋前載荷過載導致連鎖鉤點的水平位移超過某一設定值時就立即停止工作，同時下鎖與連鎖自動鎖死使得轉向橋與下配重起到抗傾覆的作用而達到過載保護的目的。

圖1 轉向橋前載荷過載保護裝置二維圖

1.2 三維ADAMS模型

MSC.ADAMS具有強大的機構動力仿真分析功能[8-10]。在進行ADAMS模型建立時，可將轉向橋前載荷過載保護裝置分為3部分：第一部分為連鎖；第二部分為聯接架，包括前耳板，下翼緣板、左右后耳板以及下鎖；其余諸如上翼緣板、腹板、左右后輪胎、左右后輪輞、轉向油缸以及后橋下配重等部件為第三部分。在建立ADAMS模型時可將第三部分用施加在聯接架上的等效力F加以簡化。各部分的質量、質心位置如表1所示，其中前耳板鉸點中心設定為坐標系原點。從前向后的方向為OX軸，垂直向上方向為OY軸。

表1 過載保護裝置各部分質量質心數據表

圖2 防傾覆過載保護裝置ADAMS模型簡圖

轉向橋前載荷過載保護裝置ADAMS動力分析的等效模型如圖2所示。其中，對左、右后耳板與連鎖之間的柔性連接用線性彈性橡膠襯套來模擬實際工況下的動力學特性，即創建橡膠襯套；連鎖與下鎖之間創建接觸副，此外在左耳板鉸點以及連鎖鉸點處創建旋轉副[10]。其中連鎖鉤點和下鎖鉤點在自然狀態下的初始位置分別為H（0.842，-0.290，-0.04）和 D （0.885，-0.287，-0.04）。

2 仿真分析

2.1 仿真分析內容

防傾覆過載保護裝置的ADAMS機構動力分析主要包括：1）對連鎖與下鎖接觸距離、接觸力的分析計算為其材料剛度強度的選擇及設計提供重要的理論依據。2）后耳板與連鎖之間的軸套位移及受力變化，連鎖以及前耳板各自鉸接點處的約束力分析對軸套的選擇有重要參考作用。3）明確連鎖鉤點、下鎖鉤點坐標隨時間的變化情況對連鎖與下鎖機構間隙設計起重要指導作用。

2.2 優化分析設計

選擇合理的材料并調整橡膠襯套參數和接觸副的沖擊參數，可對防傾覆過載保護裝置進行優化設計，因為正面吊運車起吊額定載荷45 t時對各部位提出了很高的承力要求[4]。對兩組參數進行了優化分析設計：通過優化橡膠襯套的參數，即調整平移剛度、平移阻尼、旋轉剛度、旋轉阻尼的大小，在滿足材料要求的前提下給出了合理的優化設計方案。通過優化接觸副參數，即調整沖擊函數IMPACT中的剛度、阻尼、力指數、穿透深度4個參數，在滿足材料要求的前提下給出了合理的優化設計方案。

對上述模型進行仿真，可得到由于過載導致連鎖與下鎖接觸距離、接觸力、接觸力矩，左右后耳板與連鎖之間的橡膠襯套位移、受力，連鎖、前耳板鉸接點處的約束力，連鎖鉤點、下鎖鉤點位置隨時間變化的仿真曲線，部分曲線如圖3～9所示。

圖3 連鎖與下鎖接觸距離隨時間的變化曲線

圖4 連鎖與下鎖接觸力隨時間的變化曲線

圖5 后耳板與連鎖之間的軸套位移隨時間的變化曲線

圖6 后耳板與連鎖之間的軸套受力隨時間的變化曲線

圖7 連鎖以及前耳板各自鉸接點處的約束力隨時間的變化曲線

圖8 連鎖鉤點H的X坐標隨時間的變化曲線

圖9 下鎖鉤點D的X坐標隨時間的變化曲線

3 結論

應用ADAMS軟件對正面吊運車轉向橋前載荷過載保護裝置進行了動力學分析和優化設計，同時應用于實際產品開發，得到如下結論：

1）圖3說明，連鎖與下鎖在0.015 s的時間就可接觸，抗傾覆保護反應迅速。圖4說明，連鎖與下鎖接觸的最大作用力為80 kN且在0.031 1 s達到，平穩時為25 040 N。

2）圖5說明，后耳板與連鎖之間的軸套位移不超過2 mm，平穩時為0.736 mm。圖6說明，襯套最大受力接近35 kN，平穩時為7 361 N。

3）從圖7看出，連鎖以及前耳板各自鉸接點處的最大約束力均達到50kN，平穩后分別為18120N和31350N。

4）從圖8看出，連鎖鉤點H處X方向的最大位移為0.855-0.842=0.013 m=13 mm，穩態位移為0.851 9-0.842≈0.010 m=10 mm。

5）從圖9看出，下鎖鉤點D處X方向的最大位移為0.8818-0.885=-0.0032m=-3.2mm，穩態位移為0.8824-0.885=-0.002 6 m=-2.6 mm。

經過仿真對比分析，本文提供的結果為最優設計。同時，通過對產品測試和市場的實際檢驗，該設計確實可行，可用于類似產品的分析設計。

[1]周偉興.裝卸搬運車輛[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]何三全.綜合運輸裝卸機械[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]胡宗武，顧迪民.起重機設計計算[M].北京：科學技術出版社，1989.

[4]張連文.集裝箱正面吊運機的ADAMS運動學分析[J].工程機械，2007，38（7）：19-21.

[5]GB 3811-2008，起重機設計規范[S].

[6]GB/T 5141-2005，平衡重式叉車穩定性基本試驗[S].

[7]ISO/TC 110/SC 2.ISO 10525-1997，Counterbalanced trucks handling freight containers of 6 m（20 ft）length and above-Additional stability tests[S].

[8]鄭建榮.Adams虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2003.

[9]李軍，邢俊文，覃文潔.Adams實例教程[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[10]MSC.SOFTWARE Corporation.ADAMS Training Guide[M].Santa Ana CA USA，2004.