固定式港口起重機吊裝機構優化設計

何海勝，李旭平

(珠海天力重工有限公司，廣東 珠海 519000）

近年來，我國吊裝行業迅速發展，這就給固定式港口起重機的使用方法與設計工藝提出更高的要求，目前，很多固定式港口起重機的工藝設計也日益復雜。以前，設計的起重機的吊裝機構一致沿用的方式——圖解設計，但是這種方法不能輕易計算出待定系數，不利于提高其設計的效率與準確度，最為關鍵的問題是，圖解法不能很好地將優化設計與吊裝機構結合，從一定程度上限制了吊裝機構設計的質量。在這樣的情況下，ABAMS軟件應運而生，這種軟件技術可以創建機械系統所有幾何模型的參數，能夠進行造型和參數分析，筆者立足于ABAMS軟件在固定式港口起重機吊裝機構設計的優化，進行了深入的分析與研究。

1 固定式港口吊裝機構運動分析以及設計計算

1.1 運動分析

通常情況下，單臂架式機構和四連桿組合臂架式機構組成了固定式港口起重機的工作機構。在本文的研究中，筆者以四連桿組合臂架式機構為例開展研究。在分析研究中發現，四連桿組合臂架式機構應用空間較大。當起重機達到一定的高度時，起重機的整體尺寸會發生變化，逐漸偏小。與此同時，懸掛貨物的懸掛長度也會縮小，出現輕微的擺動現象。

吊裝機構臂架的運動計算見圖1。

基本參數表見表1。結合基本參數表求得起重機吊架的長度是10.13m，臂架長度是19.91m，連桿長度是4.3m，前段長度是9.82m，后搖桿是17.48m。

1.2 設計計算

鋼絲繩、滑輪組以及卷筒是卷繞系統幾個部件，具體計算如下：

圖1 吊裝機構臂架的運動簡圖

計算鋼絲繩最大靜拉力，如下計算過程：

滑輪與卷筒最低限定的直徑計算如下：

式中，S為最大靜載荷拉力；Q為起重機吊裝機構質量；m為滑輪組倍率數；n為卷筒鋼絲繩的數量；ηb為滑輪組效率；η1、η2為導向滑輪的效率。

總阻力計算如下：

計算式中可以看出，變幅阻力U0是由于重物和吊裝機構并非沿直線行走以及起升拉力引起的；當臂架系統失去平衡引發阻力，就產生了變幅阻力Ub；在正常的運行狀態中，由風載荷產生的是變幅阻力Uw；在風的作用下，重物產生擺動產生蝙蝠壓力UH；臂架系統在繞旋轉中心旋轉時產生的離心力造成邊幅壓力Uc；變幅過程中臂架系統在徑向產生的慣性力產生變幅阻力Ui；各機構、零件之間的摩擦阻力產生變幅阻力Uf。

象鼻梁的基本機構簡圖如圖2所示，其相關的計算如下。

圖2 象鼻梁的基本結構簡圖

切口處相對變位為零可得到力法方程：

當F1=F2=F3=F時，

基本參數表見表2。

表2 基本參數表

2 起重機吊裝機構優化設計

根據之前的設計結果，我們要對設計變量的最初參數展開修正，利用ADAMS軟件建立虛擬模型進行約束，結果如圖3、4所示。

圖3 鼻梁前端 x 方向的位置變化曲線

圖4 鼻梁前端y方向的位置變化曲線

根據測量得到的數據分析，在X方向上最小極限位置距離為5.49m，滿足設計最小極限位置5.5m。

3 結語

港口起重機如今已經成為我國經濟建設多個領域中不可缺少的重要設備，尤其近幾年，隨著我國在能源行業方面實現了快速發展，有力地帶動了中國港口起重機行業的持續穩健發展，塑造并影響了一大批具有雄厚實力的吊裝設備施工企業。目前，中國涌現出越來越多吊裝帶行業先進企業。同時，隨著吊裝機構的設計手段不斷優化，海外市場也出現了中國起重機的身影。

結合上文所述，總結固定式港口起重機吊裝機構優化設計有以下體會：

（1）ADAMS仿真分析軟件能夠結合連桿運動機構的性能和相關參數，實現虛擬模型的優化設計，能夠較好地檢驗機構是否設計合理，同時，其他構件的干涉情況也能檢測。ADAMS仿真分析軟件利用的是虛擬樣機仿真技術。此項技術在整個產品的設計與開發的過程中，能夠把分散的零件進行分析和設計，如可以將系統中零部件的CAD 和FEA 技術進行有效融合，立足于計算機技術創建出新的產品模型。在針對產品使用后出現的各種情況進行仿真分析，來對產品的整體性能進行預測，從而創新和提高產品的性能與技術。

（2）在關于固定式港口起重機吊裝機構優化設計過程中，我們要始終以機構運動學仿真分析為基礎，進行設計優化的深入分析，將一些束縛的條件一一簡化。如此一來，就可以滿足我們在港口起重機工作中預定的設計目標和要求。

（3）通過利用虛擬樣機技術來模擬現實環境，可以形象直觀地分析出設計的可行性，有效地滿足設計的要求，減少了設計開發的成本及費用，為優化固定式港口吊裝機構設計提供了科學的辦法和路徑。

總的來說，虛擬樣機技術是20世紀80年代逐漸興起、基于計算機技術的一個新概念。從國內外對虛擬樣機技術(Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虛擬樣機技術的概念還處于發展的階段，在不同應用領域中存在不同定義，在起重行業與吊裝行業在社會發展中是相互促進和相互發展的，如今，吊裝設備領域實現迅猛發展，為港口起重機行業的發展提供了有力的支持。