基于Adams的集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)提升機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

李紅勛，李夢(mèng)晗，趙子涵，王一超

(1.軍事交通學(xué)院國(guó)家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津300161;2.軍事交通學(xué)院綜合訓(xùn)練基地，天津300161;3.軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)，天津300161;4.71357部隊(duì)，山東 萊陽265206)

近年來集裝箱運(yùn)輸?shù)玫狡毡橥茝V，并呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，集裝箱裝卸搬運(yùn)類裝備在此背景下得到迅速發(fā)展。目前，國(guó)外有多家生產(chǎn)集裝箱裝卸搬運(yùn)裝備的大型企業(yè)，如瑞典的Karlma公司、芬蘭的Konecranes公司、澳大利亞的 Mobicon公司等［1］。我國(guó)相關(guān)裝備發(fā)展較晚，目前研制的某型集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱搬運(yùn)機(jī))擬應(yīng)用在對(duì)裝卸效率要求高的專業(yè)集裝箱碼頭、集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)站以及集裝箱堆場(chǎng)等，具有良好的機(jī)動(dòng)運(yùn)輸性、操作穩(wěn)定性以及較高的裝卸搬運(yùn)效率。

1 提升方案分析

提升機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)的主要工作裝置，其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了搬運(yùn)機(jī)的主要工作性能。陳彤等［2］在分析國(guó)外搬運(yùn)機(jī)技術(shù)時(shí)對(duì)吊具和升降系統(tǒng)作了專門介紹。提升機(jī)構(gòu)一般布置在搬運(yùn)機(jī)的兩端，通過提升機(jī)構(gòu)與集裝箱對(duì)接完成集裝箱的裝卸作業(yè)。目前，常見提升方案主要有夾緊臂夾持提升和鋼絲繩提升。

1.1 夾緊臂夾持提升

圖1所示為采用夾緊臂夾持提升方案的提升機(jī)構(gòu)示意。其提升裝置主要由門架、擺動(dòng)液壓缸、夾緊臂、連桿、旋鎖及旋鎖液壓缸組成。其中，門架下端與車架相連，兩組對(duì)稱的夾緊臂通過4個(gè)擺動(dòng)液壓缸和兩個(gè)銷軸連接在門架上。夾緊臂分為上、下兩部分，上夾緊臂截面尺寸大于下夾緊臂，下夾緊臂插入上夾緊臂中，利用插銷連接。集裝箱移位作業(yè)時(shí)，上、下夾緊臂由3個(gè)插銷連接，由擺動(dòng)油缸推動(dòng)夾緊臂，使旋鎖插入集裝箱角件孔中，然后用旋鎖油缸將旋鎖鎖緊［2］。

圖1 采用夾緊臂夾持提升的機(jī)構(gòu)示意

1.2 鋼絲繩提升

近年來，鋼絲繩提升裝置廣泛應(yīng)用在起重吊裝、物料搬運(yùn)、船舶裝卸等領(lǐng)域。圖2為采用鋼絲繩提升方案的提升機(jī)構(gòu)示意。其提升裝置主要由門架、鋼絲繩—滑輪總成、提升油缸和提升梁組成。其中，提升梁上安裝有夾緊裝置、對(duì)中裝置、旋鎖總成等，是搬運(yùn)集裝箱的直接構(gòu)件。由旋鎖鎖緊集裝箱后，提升梁可通過鋼絲繩帶動(dòng)集裝箱提升和下落。

圖2 采用鋼絲繩提升的機(jī)構(gòu)示意

1.3 方案比較

通過前面兩種方案的分析可以看出，采用夾緊臂夾持提升時(shí)，當(dāng)旋鎖與集裝箱鎖緊后，集裝箱相當(dāng)于與整個(gè)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)固聯(lián)在一起，剛性較好。因此，在整個(gè)搬運(yùn)機(jī)搬運(yùn)作業(yè)過程中，幾乎不會(huì)出現(xiàn)集裝側(cè)移、傾斜的現(xiàn)象。但由于集裝箱角件側(cè)面孔較小，搬運(yùn)機(jī)與集裝箱對(duì)接操作難度大，并且旋鎖插入和脫出不順暢，從而影響整機(jī)的作業(yè)時(shí)間。而采用鋼絲繩提升時(shí)，由于提升梁上安裝有導(dǎo)向裝置和對(duì)中裝置，從而極大地方便了搬運(yùn)機(jī)與集裝箱對(duì)接，提高了提升作業(yè)效率，縮短了整機(jī)作業(yè)時(shí)間，可以很好地達(dá)到技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求。因此，該搬運(yùn)機(jī)選用鋼絲繩提升方案。但由于鋼絲繩裝置本身容易受到外力沖擊而導(dǎo)致集裝箱發(fā)生偏移，滑輪組也有可能因沖擊力造成損壞，威脅到搬運(yùn)機(jī)的作業(yè)安全，因此，為保證整機(jī)提升作業(yè)的穩(wěn)定性，需要對(duì)鋼絲繩提升方案進(jìn)行必要性分析。

2 動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

2.1 鋼絲繩模型

在Adams/View中可以使用的建立鋼絲繩模型的方法主要有3種:通過生成柔性體的方法建立模型;采用多段的圓柱剛性體通過軸套力模擬鋼絲繩;采用多段的圓柱剛性體通過旋轉(zhuǎn)副模擬鋼絲繩［4］。

本文采用多段圓柱形剛體近似代替鋼絲繩方法，建立鋼絲繩模型的小段剛體之間通過軸套力連接。在Adams/View中建立的鋼絲繩仿真模型如圖3所示。

圖3 鋼絲繩仿真模型

2.2 提升機(jī)構(gòu)模型

本文只對(duì)某型搬運(yùn)機(jī)的提升機(jī)構(gòu)加以研究，因此，只需建立提升機(jī)構(gòu)和集裝箱的動(dòng)力學(xué)模型即可。根據(jù)某型搬運(yùn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置，首先確定各滑輪和提升活塞桿的硬點(diǎn)坐標(biāo)，建立其動(dòng)力學(xué)仿真模型［5］;之后，在鋼絲繩建模的基礎(chǔ)上，在鋼絲繩底部建立方形剛體代替集裝箱，其質(zhì)量為12 t，在集裝箱底部建立方塊模擬地面。建立的提升機(jī)構(gòu)仿真模型如圖4所示，其中，滑輪1—3為定滑輪，滑輪4為動(dòng)滑輪。

圖4 提升機(jī)構(gòu)仿真模型

2.3 仿真設(shè)置

為真實(shí)模擬搬運(yùn)機(jī)提升工況，為該動(dòng)力學(xué)模型添加10個(gè)約束，依次為:3個(gè)定滑輪與大地之間的旋轉(zhuǎn)副，動(dòng)滑輪與提升活塞桿之間的旋轉(zhuǎn)副，提升活塞桿與大地之間的移動(dòng)副，鋼絲繩頂端與大地之間的固定副，兩根鋼絲繩與集裝箱之間的固定副以及地面方塊與大地之間的固定副。除此之外，還需在地面與集裝箱之間添加接觸，保證使集裝箱在被提升之前位置不下降［6］。

根據(jù)提升機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)間和各液壓缸的理論行程，設(shè)定活塞桿施加推力F=2.7×105N。為了減少該驅(qū)動(dòng)力對(duì)集裝箱的沖擊，添加STEP函數(shù) STEP(time，0，500，0.3，270 000)，表示驅(qū)動(dòng)力經(jīng)過0.3 s時(shí)間從500 N增加到270 000 N，起始值為500 N是為了防止仿真初始時(shí)，鋼絲繩在自身重力帶動(dòng)下脫落。仿真時(shí)，仿真時(shí)間設(shè)為1.5 s，步數(shù)為200。

3 提升工況仿真分析

根據(jù)前文設(shè)置，運(yùn)行仿真軟件得到集裝箱的質(zhì)心位移、速度和加速度變化曲線(如圖5—7所示)和各滑輪受力變化曲線。

圖5 集裝箱質(zhì)心位移變化曲線

圖6 集裝箱速度變化曲線

圖7 集裝箱加速度變化曲線

可以看出，集裝箱隨著提升機(jī)構(gòu)提升了1.2 m，正好到達(dá)集裝箱運(yùn)輸時(shí)的高度。但是在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，由于鋼絲繩剛度有限，而提升集裝箱的兩根鋼絲繩長(zhǎng)度不一致，所以在同樣的拉力下，長(zhǎng)鋼絲繩會(huì)拉伸得更長(zhǎng)，導(dǎo)致集裝箱在提升后有微小的側(cè)傾角度。集裝箱在開始提升時(shí)，受到了較大的沖擊，數(shù)值大概為兩個(gè)重力加速度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，集裝箱可以承受該沖擊。

實(shí)際情況下，集裝箱提升過程大概要經(jīng)過幾十秒，但是，由于受硬件條件限制，本仿真只用1.5 s完成了提升過程，也就是說本仿真中集裝箱提升速度和加速度都偏大。但由于集裝箱自身質(zhì)量較大，加速度的誤差對(duì)鋼絲繩拉力影響不大。因此，滑輪受力應(yīng)與真實(shí)作業(yè)工況下較為接近。

如圖8、9所示為滑輪1、2和滑輪3受力變化曲線圖。

圖8 滑輪1、2受力曲線

圖9 滑輪3受力曲線

可以看出，仿真剛開始時(shí)，3個(gè)滑輪都受到了較大的沖擊力，分析原因?yàn)殇摻z繩沒有拉緊，在加載的一瞬間滑輪受到?jīng)_擊力，經(jīng)分析，實(shí)際情況下不會(huì)出現(xiàn)類似情況。滑輪1、2受力方向?yàn)樽笊戏较颍?qū)動(dòng)力達(dá)到最大值后，穩(wěn)定在大約90 kN;滑輪3受力方向?yàn)樗较蛴遥笮》€(wěn)定在270 kN，與驅(qū)動(dòng)力大小、變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了仿真過程的準(zhǔn)確性，為某型搬運(yùn)機(jī)提升機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究分析奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文以某型搬運(yùn)機(jī)的鋼絲繩提升機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，利用Adams軟件，建立了近似代替鋼絲繩的提升機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)某型搬運(yùn)機(jī)的提升工況進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。經(jīng)仿真得到了搬運(yùn)機(jī)在提升集裝箱時(shí)集裝箱受到的沖擊以及各定滑輪受力情況，驗(yàn)證了仿真模型的真實(shí)可靠，同時(shí)為某型搬運(yùn)機(jī)的進(jìn)一步研究分析提供了合理依據(jù)。

［1］ 李海波.輕型集裝箱跨運(yùn)車的開發(fā)及應(yīng)用［J］.港口裝卸，2009，1(1):1-4.

［2］ 陳彤，張德文.國(guó)外集裝箱跨運(yùn)車的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)分析［J］.港口裝卸，1995(2):4-7.

［3］ 劉輝.門架式集裝箱裝卸搬運(yùn)機(jī)提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真［D］.天津:軍事交通學(xué)院，2010:12-14.

［4］ 李海軍.ADAMS中鋼絲繩索類物體建模方法研究［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2007(8):4-7.

［5］ 龍靖宇，姚國(guó)東.基于Adams的起重機(jī)鋼絲繩繞組建模與驗(yàn)證［J］.煤礦機(jī)械，2009，11(30):69-70.

［6］ 陳志偉，董月亮.多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2012:104-111.