基于Pro/E伸縮折疊起重機(jī)虛擬設(shè)計與運動仿真

盧志珍，舒希勇，倪學(xué)虎，王成龍

LU Zhi-zhen1, SHU Xi-yong1, NI Xue-hu2, WANG Cheng-long2

（1. 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003；2. 淮安遠(yuǎn)航船用設(shè)備制造有限公司，淮安 223001）

0 引言

在中小型船舶上，由于甲板上場地及空間窄小，艏艉樓、塔柱等固定結(jié)構(gòu)較多，或起吊特殊的物品、爆炸物時以防懸掛的鋼絲繩過長而偏擺引起碰撞，或因特殊救助打撈等作業(yè)要求，經(jīng)常需配備具有伸縮和折疊功能的起重機(jī)。這種起重機(jī)，整體部件較多，運動也比較復(fù)雜，尤其是伸縮和兩次折疊動作。傳統(tǒng)的方法是很難精確確定各構(gòu)件的外形尺寸及在運動過程中的相對位置，但在運用Pro/E進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、虛擬裝配與機(jī)構(gòu)運動仿真后，可以求解出各構(gòu)件最佳的空間位置和空間形狀，從設(shè)計上降低系統(tǒng)的運動干涉。本文以20KN-9M船用伸縮折疊起重機(jī)為例，運用Pro/E軟件，實現(xiàn)了該起重機(jī)整體機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計、裝配以及運動仿真，對設(shè)計中出現(xiàn)的問題做出了改進(jìn)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，加快了產(chǎn)品開發(fā)速度，同時也使設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品的時候盡量減少失誤，實現(xiàn)了設(shè)計的最優(yōu)化。

1 船用伸縮折疊起重機(jī)工作原理

船用伸縮折疊起重機(jī)展開工作時如圖1所示，該起重機(jī)利用起升絞車、鋼絲繩實現(xiàn)重物和吊具的升降。起升絞車由液壓馬達(dá)驅(qū)動，經(jīng)高強(qiáng)度的行星齒輪減速箱帶動卷筒卷繞鋼絲繩完成貨物的升降。工作中利用變幅液壓缸實現(xiàn)吊臂變幅，利用回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動行星齒輪減速箱，使裝在行星齒輪減速箱上的小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)齒圈直接嚙合實現(xiàn)整機(jī)回轉(zhuǎn)。起重機(jī)在作業(yè)完成后，利用多級液壓缸實現(xiàn)伸縮臂伸縮動作，將兩節(jié)伸縮臂縮到基本臂內(nèi)。利用折臂液壓缸實現(xiàn)基本臂與調(diào)幅臂折疊，調(diào)幅臂與回轉(zhuǎn)支座折疊。折疊后起重機(jī)如圖2所示。兩次折疊收到最小的外形尺寸，折疊后的起重機(jī)僅占打開工作時起重機(jī)空間的1/4，從而減少設(shè)備占用空間，降低設(shè)備重心，減小船舶在航行時的搖擺幅度。

1—基座；2—回轉(zhuǎn)支承；3—回轉(zhuǎn)支座；4—起升絞車；5—變幅臂；6—基本臂；7—伸縮液壓缸；8、9—伸縮臂；10—變幅液壓缸；11—折臂液壓缸圖1 起重機(jī)總圖

2 船用伸縮折疊起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

以下就起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)以及在起重工作過程中的功能進(jìn)行分析。

2.1 基座部分

基座設(shè)計成圓筒形結(jié)構(gòu)，它主要用來承擔(dān)起重機(jī)的全部正壓力和傾覆力矩，上部法蘭面用來聯(lián)接回轉(zhuǎn)支承，下部與船舶甲板底座相聯(lián)接，上下法蘭

圖2 折疊后起重機(jī)

圖3 基座

與圓筒之間有加強(qiáng)筋連接，基座內(nèi)有支撐，起加強(qiáng)作用，電動機(jī)安裝在該支撐中間。圓筒上設(shè)有一個供安裝和維護(hù)的人孔。基座結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 回轉(zhuǎn)支座部分

回轉(zhuǎn)支座設(shè)計成四邊形柱狀結(jié)構(gòu)，下部用高強(qiáng)度螺栓與回轉(zhuǎn)支承連接，內(nèi)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)支承與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的小齒輪相嚙合，能同時承受軸向力和傾覆力矩等復(fù)雜載荷，利用裝在內(nèi)部的回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承實現(xiàn)整機(jī)和起吊重物一起作順時針或逆時針兩個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)支承上部用銷釘連接變幅臂，其旁邊裝有起升絞車。回轉(zhuǎn)支座結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)支座

2.3 變幅臂部分

變幅臂設(shè)計成箱型結(jié)構(gòu)，在變幅液壓缸作用下，它既能帶著基本臂和伸縮臂繞回轉(zhuǎn)支座的銷軸向上變幅，也能繞銷軸向下回轉(zhuǎn)，與整機(jī)折疊。變幅臂結(jié)構(gòu)如圖5所示。變幅臂一端端通過銷軸與回轉(zhuǎn)支座相連接，一端與基本臂相連接。為了使結(jié)構(gòu)緊湊，合理利用空間，將折臂液壓缸設(shè)計在變幅臂下方，這樣變幅臂的截面便設(shè)計成一種開口的門型結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 變幅臂

圖6 變幅臂截面

2.4 基本臂部分

基本臂設(shè)計成箱型結(jié)構(gòu)，其右端開口，作業(yè)完成后，兩節(jié)伸縮臂可以縮進(jìn)來。基本臂采用了基本臂臂體與變幅臂分開連接，使基本臂與變幅臂運動不在同一條軸線內(nèi)，（兩軸線尺寸為368mm）滿足了基本臂與變幅臂折到最小角度的折疊要求。基本臂結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 基本臂

2.5 伸縮臂部分

兩節(jié)伸縮臂都是箱型結(jié)構(gòu)，第一節(jié)伸縮臂縮進(jìn)第二節(jié)伸縮臂，第二節(jié)伸縮臂縮進(jìn)基本臂內(nèi)，當(dāng)它們伸開時，可以使起重機(jī)吊臂加長，這樣便能增加起重機(jī)作業(yè)范圍。當(dāng)作業(yè)完成后，兩節(jié)伸縮臂縮進(jìn)基本臂，可以收到最小的外形尺寸，從而減少設(shè)備占用空間。伸縮臂結(jié)構(gòu)如圖8所示。

該伸縮折疊起重機(jī)還有一些輔助部分如吊鉤裝置、起升絞車、導(dǎo)繩器等，在此不再做介紹。

圖8 伸縮臂

3 船用伸縮折疊起重機(jī)整機(jī)虛擬裝配及運動仿真

為完成船用伸縮折疊起重機(jī)的運動仿真，需要對起重機(jī)整體進(jìn)行虛擬裝配，虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。在Pro/E提供的自下而上的設(shè)計模式中，先在零件模塊中構(gòu)造各個零件的三維模型，然后在裝配模塊中建立零部件之間的連接關(guān)系，它是通過配對條件在零部件之間建立約束關(guān)系來確定零部件在產(chǎn)品中的位置。

在裝配元件時，若此元件為機(jī)構(gòu)中可移動的元件，則要設(shè)置適當(dāng)?shù)倪B接條件，使此元件與現(xiàn)有組件上的元件連接在一起。不同的連接條件提供不同自由度及不同的移動功能，以使元件能在機(jī)構(gòu)運動仿真時有正確的運動方式。Pro/E中對動態(tài)機(jī)構(gòu)提供了多種連接條件，如剛性，銷釘，滑動桿，圓柱等。

本起重機(jī)在虛擬裝配時，先將各部分進(jìn)行虛擬裝配，再將各部分進(jìn)行總裝。裝配過程在此不再贅述。當(dāng)各部分和總體裝配完成后，可在分析選項中選擇模型中的全局干涉檢測，結(jié)果顯示各零件設(shè)計尺寸及總裝不存在干涉。

機(jī)構(gòu)設(shè)計是Pro/E Wildfire的一個應(yīng)用模塊，其功能是對組件產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析及仿真，這樣可以使原來在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計的運動變得非常直觀和易于修改，從設(shè)計上將系統(tǒng)運動干涉的可能性降到最低。本起重機(jī)在虛擬裝配完成后，為確認(rèn)起重機(jī)回轉(zhuǎn)、變幅、伸縮、折疊等運動中是否存在干涉，故對整機(jī)進(jìn)行虛擬運動仿真。如圖9所示，在回放中，可清楚看到運動過程中各部件運動位置，結(jié)果顯示各部件按照預(yù)先設(shè)定的運動路線運動，基本臂與變幅臂、變幅臂與整機(jī)基座折疊角度合理，折疊后各構(gòu)件不發(fā)生干涉，為下一步起重機(jī)實物裝配提供重要的參考角度。

4 結(jié)論

通過運用Pro/E，對20KN-9M船用伸縮折疊

式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、虛擬裝配及機(jī)構(gòu)運動仿真，不但使機(jī)構(gòu)的造型形象化、可視化，而且也使整個仿真過程精確、高效，這是傳統(tǒng)的靜態(tài)的方法實現(xiàn)不了的。虛擬運動仿真結(jié)果表明，船用伸縮折疊式起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)是正確的，縮設(shè)計的變幅、回轉(zhuǎn)、伸縮、折疊等動作是可行的。本虛擬設(shè)計和運動仿真能精確確定各構(gòu)件的外形及各構(gòu)件在運動過程中的相對位置。同時也為起重機(jī)液壓元件尺寸選擇提供較重要的參考數(shù)據(jù)，大大縮短起重機(jī)的設(shè)計周期，節(jié)約了研制經(jīng)費。

圖9 起重機(jī)運動仿真

[1] 魏俊波, 胡國清, 楊華. 基于Pro/E的自動磁環(huán)繞線機(jī)虛擬設(shè)計與運動仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造, 2011(5): 57-59.

[2] 葛正浩, 楊芙蓮. Pro/ENGINEER Wildfire 3.0機(jī)構(gòu)運動仿真與動力學(xué)分析[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[3] 林清安. Pro/ENGINEER野火3.0中文版動態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[4] 二代龍震工作室Pro/Mechanism Wildfire 3.0/4.0機(jī)構(gòu)/運動分析[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

[5] 周爾民, 肖乾. Pro/Wildfire實現(xiàn)變速器的虛擬裝配和運動仿真[J]. 煤礦機(jī)械, 2007, 28(2): 78-80.

[6] 湯兆平, 孫劍萍. 基于Pro/E的內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬裝配與運動仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造, 2009(12): 607-62.