桥式抓斗卸船机起升机构动力响应的仿真研究硕士学位论文

上海海事大学硕士学位论文桥式抓斗卸船机起升机构动力响应的仿真研究姓名：李路妹申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：王悦民20060701摘要抓斗卸船机是目前世界上散货接卸港的主要机械设备。抓斗卸船机日趋于大型化、高速化开展。起重重量越来越大，工作速度越来越高，对机构的机械性能提出了更高的要求。按照传统的方法设计出来的卸船机，在实际的使用过程中仍然有大量的事故发生。其中绝大多数起重坠物的重大事故，几乎都与起升机构及其主要构成零部件的平安状态有直接关系。为了解决传统设计方法的瓶颈问题，机构的动态设计现在越来越为人们所关注。到目前为止，卸船机起升机构动力响应的研究还处于起步阶段。本课题是受宁波北仑港委托，探索一种能够预测和评估卸船机起升机构动态性能的仿真方法来指导实际设计，以提高起升机构的机械性能f强度、刚度和疲劳等和经济性能。本文以上海海事大学起升机构实验台研究对象，建立了起升机构的动力学模型和微分方程。在介绍虚拟样机技术的根底上，采用ADAMS软件建立了起升机构的动力学仿真模型，对起升机构重物离地起升、空中加速、匀速上升制动和迅速下降制动四种典型工况进行了仿真，并通过试验数据验证了仿真模型及其结果的正确性，说明了采用ADAMS软件模拟起升机构动态性能的可行性。基于这一方法对抓斗卸船机起升机构的动态性能进行了进一步的研究。以起升机构试验台模型为根底，考虑了桥式抓斗卸船机钢结构的弹性刚度，采用ANSYS和ADAMS软件建立了一个刚柔耦合的起升机构系统仿真模型，并进行了动力学仿真。讨论了卸船机钢结构弹性效应对起升机构系统机械性能的影响。为各种起重机的起升机构的动力学分析和设计计算提供参考。关键词：卸船机，起升机构，动态特性，仿真，ADAMS，ANSYS，MATLABABSTRACTToday,晷abshipunloaderismostlyportmachinetoloadandunloadbulkcargointheworld．Grabshipunloaderislage-scaleandhigh-speedofdvelopment．Withincreasingofliftingweightandnmningvelocity，thereareigherrequirementsforthemechanismperformanceofmachine．Therearestillalargenumberofaccidentstohappeninthecourseofactualuseof铲abshipunloaderwhichisdesignedbasedonthetraditionaldesignedmethods．MostofseriousaccidentsdueothefallofliftedloadaredirectlyrelatedotheSecuritysituationofhoistingmechanismandtheirpartsandcomponents．Peoplearemoreandmoreconcernedaboutthedynamicdesignofmechanisminordertosolverthebottleneckproblemofthetraditionaldesignedmthods．Uptotheresent，researchofunloaderdynamiccharacteristicsisstilloninitialstep．Tllistime，wearentrustedbyNingboBeilunport，forexploringasimulationanalysismethodwhichCallforecastandevaluatethedynamiccharacteristicsofthehoistingmechanismofunloadertoinstructpracticaldesign，aimingatimprovingthemechanicalchracteristicdesign，rigidityandfatiguelifetcandeconomiccharacteristic．111ispaperconsidersthetest-bedofmechanismofshanghaimaritimeuniversityasaresearchobject．Thedynamicsmodelandifferentialcoefficientequationsaretablished．Basedonprentationofvrtualprototypeechnology,thedynamicsvrtualmodelisbuiltandthefourdynamicproesseshoistingfromground，speedupfromair,emergencybrakeafteruniformvelocityriseandemergencybrakeafteruniformvelocitydroparesimulatedbyusingADAMSsoftware．Thevirtualmodelandsimulationresultsarevalidatedbycomparingwthtestcurve．Researchofunloaderdynamiccharacteristicswllbefarthercariedoutonthismethod．Basedonthemodelofthetest-bedofmechanism，consideringthelasticstiffnessoftructureofgrabshipunloader,arigid?flexcouplingemulationalmdelofhoistingmechanismsystemisbuiltbyusingADAMSandANSYSsoftwaresandynamicssmulationiscalculated．TheinflunceofhoistingmechanismduetoelasticeffectsofthestructureofunloaderiSdiscussed．AllresutsCanbeinsultedfordynamicsanalysisandesigncalculationforal】kindsofcranes．KEY_、NORDS：Unloader,Hoistingmechanism，DynamicsCharcteristic，Simulate，ADAMS．ANSYS．MATALAB论文独创?|生声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的奉献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：左＆乏幸同期论文使用授权声明玲嵋矛．≥本人同意上海海事大学有关保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保存送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或局部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。作者签名：』董量址导师签名：掣R期Ms。§．海海事大学硕j二学位论文1．1概述第一章绪论随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用越来越大，对起重机的要求也越来越高。现令科学技术的飞速开展，推动了现代没计和制造能力的提高，剧烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争，这些都促使起重机的技术性能进入崭新的开展阶段，起重机正经历着一场巨大的变革。国内外起重机的新理论、新技术和新动向说明21世纪超重机大型华和高速化、模块化和组合化、自动化和智能化、新型华和实用化等方向和趋势开展。抓斗卸船机是目前世界上散货接卸港的主要机械设备。无论什么样的物料流程，都必须有前沿机械将货物从船舱内取出来。尽管近年来世界各国争先研制连续式卸船机，但抓斗卸船机其固有的优点，如技术成熟可靠，作业受波浪影响小等致使在国内外现有的或将建设的散货接卸港大多仍采用间歇式作业的抓斗卸船机。可见，抓斗卸船机在一定的时期内仍将在散货卸船作业中占主要地位。Ell抓斗卸船机是一种需要经常启动、制动和做各种复杂复合运动的机械。抓斗卸船机的工作性质决定了它的传动系统必须进行短暂频繁的双向运动，由于工作时的状态变化特别是起升机构，机构和结构将产生强烈的冲击和振动，这就是通常称的动载。动载荷与运动方向和工作速度加速度有关，与结构因素如系统质量的分布，系统的刚度和阻尼等有关，而且与使用条件如外载荷的大小及其变化规律，有无冲击等有关。为了计算方便，通常用动载系数动载荷与静载荷的比值表示。动载系数法是目前世界上许多著名的超重机设计标准所使用主要方法，其实质仍是一种静力计算法。该法的使用主要是凭借经验，存在着过于单一、不够精确的缺点，但因思路简捷、使用方便、易于普及等优点仍得到了广泛的应用。12j13】14】然而由于工业生产规模不断扩大．生产效率目益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占的比例逐渐增加，抓斗卸船机趋于大型化、高速化开展，超重重量越来越大，工作速度越来越高，动载问题同益突出，它直接影响了机械的寿命和工作性能。按照传统的动载系数法设计出来的卸船机，在实际的使用过程中仍然有大量的事故发生。其中绝大多数起重坠物的重大事故，几乎都与起升机构及其要构成零部件的平安状态有直接关系。起升机构的零件发生故障或损坏如电楸绕组损坏、制动器失灵、钢丝绳或吊钩断裂、齿轮箱输出轴断裂或联上海海事大学硕上学位论文轴器失效等都可能是引发重物坠落的危险的原因。图1一l和图1-6为起升机构失效的几种形式，图片来源于马士基和宝钢某码头抓斗卸船机起升机构失效引发的事故现场。这就说明这些动载系数确实定与实际使用情况差异较大。因此如何真实地了解抓斗卸船机起升机构动力响应的变化过程借以设计出高质量的新机构是国内外起重机行业的工作者和研究者面临的一个难题。图1-1接地换向级电路失效引起事故图1．2电枢绕组失效引起事故图1-3强烈振动使电动机并激磁场开口图l-4起升卷简失效引起事故图l一5齿轮箱输出轴断轴断面图l-6齿轮箱内部齿轮磨损出现凹痕近年来，电子计算机广泛地应用于社会各领域，给人们的工作和生活带柬了海海事大学颤f‘学位论空深刻的变革。计算机辅助设计计算的开展使得今天的设计者有能力从传统的经验设计转问定量设计，从传统的静念设计转向动态设计。数值分析方法也取得巨大进展，许多过去根本无法计算的复杂的动力学问题现在人多能在计算机上得到解答。与此同时国内外起重机行业的专业工作者纷纷对起蘑机起升机构的动载性能进行了大量的研究。但是他们的方法无非是根据实际机构情况，将起升机构简化为一个具有一定自由度、一定质量的振动系统，然后建立起微分方程，通过电子计算机仿真求解，做出响应曲线。对于这种方法机构的简化是首要的任务。模型的简化是一个抓主要矛盾去次要矛盾的过程。从而导致相同的机构具有不同的模型。而且以往的动态分析成果中，较多的还处于对单一的、局部的机构或结构进行研究，并对模型作了较大的简化。而对起重机起升机构的整体动念特性分析并充分反映机构的多质量动力学系统特点的成果还不多见，研究还不够充分。虚拟样机技术是当今世界科技日新月异的开展结果。它是目前最强大的机构分析技术。虚拟样机技术可以从外观、功能和行为上仿真真实产品，用于对该系统全生命周期的研究与评估，或对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试。动力学虚拟样机DynamicVP是以对象的动力学／运动学模型为核心、其它相关模型为补充，利用多领域建模工具和仿真技术，在协同仿真环境的支持下所设计的虚拟样机原型系统。通过对动力学虚拟样机的仿真评估代替对物理样机进行的总体设计性能的评估。由于完全针对对象本质因素建模，因而在动力学特性上更接近于物理样机，使虚拟样机不仅形似，而最重要的是神似。目前国内综合考虑诸多因素运用虚拟现实技术真实的反映起重机起升机构动态性能的研究很少见。因此把虚拟样机技术引入起重机起升机构的动态分析研究中具有一定的新颖性、实用性和研究性。1．2国内外研究的现状1．2．1虚拟样机技术的应用虚拟样机技术在兴旺的国家如美国、德国、同本已经得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子I、Ip、国防t业、通用机械到人机]：程学、生物力学、医学以及工程咨询等多方面。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域坦，针对各利t产品，虚拟模型技术都为H』』、节省了丌支，时州并提供了满意的笈计力案I〞。街海事人学颂I：学位论文而虚拟样机技术在我国主要优先应用于以下领域：1．重点机械投资工程：这种工程投资额大，任何系统设计方面的失误都会带来巨大的经济损失。运用虚拟样机技术不仅可以防止损失，而且会找到满意的经过优化方案。与庞大的投资相比，建立虚拟模型及模拟的费用微乎其微。2．样机引进工程：自丌放以来，我国从兴旺国家引进了各种机械设备的样机予以仿制，以期提高国内产品的水平。但效果总是差强人意。一个很重要的原因是仿制停留在零件照抄的低水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解。设计人员对样机只知其然而不知所以然。如果采J『j虚拟样机技术，技术人员便可以对引进样机进行深入的研究。他们可以追踪样机的设计思想，可以进行子系统的模拟来指导其设计。更重要的是可以发现样机的缺陷以便索赔或改建。3，国民经济的骨干行业：汽车工业．工程机械工业及军事工业等。这些行业对国民经济的影响巨大，虚拟样机技术在这些行业的应用会带来可观的经济效益。在国外，虚拟样机技术在这些行业力应用的最广泛和最成熟，国内的技术人员也有经验借鉴。国内很多大学与研究院也利用这一技术进行研究和开发。如：北京科技大学利用虚拟样机对矿用自卸汽车液压举升和转向系统进行了仿真与优化，北京理工大学利用虚拟样机技术对动力传动系统进行了建模与仿真研究，同济大学对汽车整车多体系统动力学进行了仿真研究，西北工业大学利用虚拟样机技术对基于动念实验数据的机械系统动力学进行建模与仿真研究，清华大学利用虚拟技术对机床进行了仿真研究。国内虚拟样机技术在起重机行业内的研究还是刚刚起步，研究成果并不多见，但是还是值得提一下。如：同济大学利用虚拟样机技术对岸边集装箱桥吊起升与小车运行工况进行了动力学仿真，探索了进行起重机动力学虚拟样机的方法。华东理工大学利用虚拟样机技术研究了超巴拿马岸边集装箱在工作中和运输中的运动学和动力学。华东理工大学利用虚拟样机技术建立了履带起重机的虚拟样机模型，并对履带起重机进行了静力学、运动学和动力学特性进行了仿真。武汉科技大学利用虚拟样机技术建立了桥式起重机虚拟样机模型，并对作业工况进行了仿真。虚拟样机技术在起重机行业的研究应用很少，主要集中在很少数学校和研究机构。1．2．2起重机设计方法月前旧内外产生了许多先进的起乖机设计标准，但仍属于静态设计范围，成熟的动态q!论设计标准仍然还没有。这u蔓起匾机设计枷范丰要有欧洲搬运r程协．海海事人学倾I．学位论文会标准FEMl．001、西德国工业标准DIN，英国工业标准BS2573、同本工业标准JIS、我国起重机设计标准GB／T38ll、及l鲴际起重机械标准Is0430l／Is08686等。尽管各标准相互之间也有差异或矛盾之处，但是在实际应用中都取得了很大的成绩。值得-提的是，FEMl．001标准的内容无论在详实性和权威上已早获得好评。FEMl．001标准不仅是欧洲标准，我国以及美洲、R本等国很多起重机设计制造厂商我国的ZPMC，德国的NOELL等和评估机构美国的GBB、法国的BV等国际知名公司也都是以FEMl001为设计标准或评估标准。FEMl．001标准在实际应用中已经取得了斐然的成绩。然而随着幽际贸易的迅速开展和经济全球化进程的加快，国际标准在国际贸易与交流中的作用同益显其重要性。为了促进起重机械产品的技术进步，提高产品的质量，减少技术性贸易壁垒和适应国际贸易的需要，加快与国际惯例接轨的步伐，积极参与国际竞争，起重机械国际标准ISO厂rC96必会是将来开展的趋势。动态设计是：i『F在开展中的一项新技术。较早涉及动态设计的是航空、航天领域。近几年，在汽车、机床等领域也得到了蓬勃的开展。在工程机械包括起重机械领域，动态设计方法的开展显得较为落后。进入90年代，随着计算机技术的开展和软、硬件环境的不断完善以及高档微机和计算机工作站的逐渐普及，现在己有许多著名的有限元程序如AD矾A，ANSYS，NAsT刚州，SAP，MARC，ABAQUS可以利用，用有限元法对起重机械进行动力学分析也随之得到了开展。总结工作循环过程中各个构件的动力影响变化规律可以对起重机设计标准中规定的某些不合理的系数或计算公式进行修正，因此动态设计方法的开展也促进了起重机设计标准的开展。从静态设计向动态设计转变是起重机设计未来开展的必然趋势。到目前为止，国内外成熟的动态理论设计标准仍然还没有。对大家来说，动态设计过程现在还是一个摸索过程。我国众多的知名企业、高校、研究机构如：上海振华港机、上海海事大学、同济大学、华东理工大学、上海708所及上海建筑科学设计院等纷纷对起重机做了大量的不同方向的动态研究，并取得了积极有效的成果。总体来说国内起重机动态设计方法的开展显得较为落后。国内关于起重机动态特性分析研究的文章甚少，很多理论书籍还是20年前甚至更久远的年代编写的。要使动态设计理念成功的应用到起重机设计领域，成为?种实用的工程技术，还有很长的路要走。1．3研究的主要内容和思路I：海海事人学硕I‘学位论义本文将虚拟样机技术引入到了抓斗卸船机起升机构的设计研究中，以上海海事大学起升机构实验台研究对象，建立了起升机构的动力学模型和微分方程。在介绍虚拟样机技术的根底上，采用ADAMS软件建立了起升机构的动力学仿真模型，对起升机构重物离地起升、空中加速、匀速上升制动和匀速下降制动列种典型工况进行了仿真，并通过试验数据验证了仿真模型及其结果的难确性，说明了采用ADAMS软件模拟起升机构动态性能的可行性。基于这一方法对抓斗卸船机起升机构的动态性能进行了进一步的研究。以起升机构试验台模型为祭础，考虑了桥式抓斗卸船机钢结构的弹性刚度，采用ANSYS和ADAMS软件建立了一个刚柔耦合的起升机构系统仿真模型，并进行了动力学仿真。讨论了卸船机钢结构弹性效应对起升机构系统机械性能的影响。考虑诸因素对机构动力响应过程进行全面的了解从而可以最真实的对机构及零部件的载荷进行确定及其对强度、刚度、疲劳寿命等进行计算。本课题具有很强的移植性，这种方法和结果适用于各种起重机的起升机构。例如：门座抓斗卸船机、岸边集装箱起重机、龙门起重机等。．海海事大学硕，I：学位论文第二章动力学模型及等效系统的建立2．1动力学模型的建立及其组合对于机器或者零件进行动力学分析时一般采用离散的方法，方法是把他们分成许多形状简单的单元体进行动力学分析，然后再组合成整体的机器或零件进行研究。进行单元动力学模型时，对质量的处理可有集中质量和分布质量之分。对单元体内部振动模态可以作为弹性体进行分析计算，也常采用一假定的模奎函数束描述。常用的动力学模型有以下三种。【6】I7】1．集中质量模型。其特点是为将单元质量集中于单元的端部，单元体内为一无质量的连续弹性体。以满足单元几何边界条件的多项式函数作为描述单元振动的模态函数；以集中质量处的振动处的振动位移作为单元的广义坐标。此模型由于质量阵为对角阵，分析计算比拟方便，但是模型不够真实，适于质量集中特征较明显的情况。2．分布质量模型。其特点为将单元抽象化为一个均质等截面的弹性体；以弹性体自由振动的各阶振型或相应的假设模态函数为单元的振动模态。由于分布质量模型真实，所以，对于形状简单的构件或结构例如轴系或杆系是一种值得采用的模型。3．有限元模型。此模型应用了弹性力学的分析方法，它一方面将单元抽象化为一个均质的弹性体，单元之间以节点相联：另一方面选择满足边界条件的多项式函数为单元振动的假设模态，以节点位移为广义坐标。有限元的通用性广，适合于各种复杂构件及结构的振动分析。在各单元组合成整个机器或零件时，不应随意的组集，应保证相邻单元在联结处的振动位移满足协调关系。而且各单元进行动力学分析时采用的局部坐标，组合时应注意转换为统一的总体坐标。对于较大或较复杂的结构，也可采用子结构法，即先由单元体组成子结构，再由假设干个子结构组成该结构的方法进行分析。对机器或零件进行动力分析的还有另一种常用的方法，称之为传递矩阵法，它是通过各单元在联结处的状态变量位移与内力来描述整个机械或零件的振动状念的。2．2起升机构的布置简图陔起升机构为蕾卷筒吊钩型，控制方式为：三相异步电动机变频调速。闭2-l海海睾大学硕I：学位论文为起升机构和置简图。图2-1起升机构布置简图2．3动力学模型与等效系统的建立2．3．1动力学模型图2．2起升机构动力学模型采用集中质量法建立扭振系统的动力学模型，把1乜动机转f、联轴器左半及右半法兰盘、制动轮、齿轮体及卷简总成作为集中质量元处理。动力学模型如图海海事人学硕I：学位论史2-2所不：图中符号说明：^变频调速ii棚芹步电动机转子转动惯帚11轴1局部转动惯量之和；J，刚性联轴器左半法兰盘转动惯量与轴l局部转动惯量之和；~，，刚性联轴器右半法兰盘转动惯量与轴2局部转动惯量之和；，。电子耦合器转动惯量与轴2和轴3局部转动惯量之和：，；橡胶轮胎弹性联轴器左半法兰盘转动惯量与轴3局部转动惯量之和；，。橡胶轮胎弹性联轴器右半法兰盘和制动轮的转动惯量与高速轴4局部转动惯量之和；／，齿轮减速器齿轮1转动惯量与高速轴4局部转动惯量之和：，。齿轮减速器齿轮2转动惯量与中速轴5局部转动惯量之和；‘，。齿轮减速器齿轮3转动惯量与中速轴5局部转动惯量之和；，。。齿轮减速器齿轮4转动惯量与低速轴6局部转动惯量之和；，。力．向联轴节右半法兰转动惯量与低速轴6局部转动惯量之和；，。万向联轴节左半法兰转动惯量与轴7局部转动惯量；J。卷筒总成转动惯量与轴7局部转动惯量：m．结构质量；m，吊具质量；m，吊重质量；k，，k：，t，k。，k。，kto,k。：分别为轴①，②，③，④，⑤，⑥，⑦的扭转刚度；k，，k；，k。。分别为刚性联轴器、橡胶轮胎弹性联轴器和万向联轴节的扭转刚度；k，，k9分别为齿轮减速器齿轮1与齿轮2间的扭转刚度；k，，为结构的弹簧刚度；k。。为钢丝绳的弹簧刚度：k。，为吊具的弹簧刚度；c1，C2，c3，c4，C5，c6，c7cB，c9，c11，Ct2，c13，c¨分别为k．，七：，七，，k4,k，，k6,k，，k。，k9,k。‘，，&12k。k，。对应的阻尼系数，这些值出相应的轴段或联轴器的实测扭矩响应衰减率来确定：M，为电动机的驱动力矩；M。为制动器制动力矩：r／为滑轮组的传递效率；0，相应，，的角位移；并i相应聊j的线位移；r卷筒半径；2．3．2系统的运动微分方程假设不考虑滑轮组的传递效率，根据直接平衡法，求得系统的运动微分方程为JlB+CIq一02十女I自一缱M7J2B+CI岛一目】+c!岛一B+klB一01十^2＆一B0I，3B+c2臼3一臼!+c3目3一以+盘二岛一01+盘3口j一日o9辩海事人学顾I。学位论义dL，4B+c3以一口3+c404一岛+k3只一B+七4六一岛0J5B+c4色一口。+c，见一良+膏。岛一只+七5哦一060J6吼十c5吼一口5+c。以一口7十ks钱一幺+七。吼一07一M月，7岛+C7■■07一吒口8+气岛一06+七6岛一R+k7__岛一龟岛O‘，8岛+C7％唯魄一，7口7+c8嚷一岛+五s嚷一岛+k7龟【％吼一，7岛O．，9B+c9，9局09一‘o口lo+c8岛一08+七暑岛一岛+k9rqr909～‘oBo0‘，Io品o+岛‘o‘o日。一1"909+cIoBo一氓1+七l。只。一岛1+岛‘o‘o只。一为岛O，IIBl+q．ql一扫Io+c11鼠l一鼠!+kloql一日+kIIql?q!0Jl2岛2+clIt92一秽11+c12B2一谚3+毛I最2一最1+惫12舅2一B3o．，13鼠3一c14，毫+j2+c12B3一日2+c¨，2只3+七12只3一q2一kt4r^+工2+七14r2830m孟l一』13k14r+奇l3xl+C13主l+七14xl+工2+c14盅l+量20mj2一J13k14r+k14XI+石2+C14量l+量2+kI5x2一X30m南+kls毛一X20或J]2+[c】足+瞵】xF其中，XB，02，．，B2，B3，XI，x2，X37F^fr，o，o，0，0，一M口，0,0，0,0,0，O，o，o’o，o70O‘，lourI20Jl32．1搬3’oo薹．。。‘口f毫f。‖譬Jl√l‖。√善?一J!u!u!o!o、一uo+c|o弋0+-J2q+亍亍lo+。fi●。f+。f。≮oooau+oo●0+P攀hu攀C^u●oohu●oonq+。u0，口u+守o●00．电+!电0、f●00乞F、一t●、一鼍、、≮弋、，。∑≮+0摹；摹+【‘jli。?+量誊。。I』。f4越+。一越罨≮_loo蠢乞_攀oh埘+∞挂ooh越，o一^砧●术弋≮十口_口_+o0，尊掌+￡0lFl，≮+c≮n电+H电J。Fi√+一进Fl海海事人学娥I学位论史以f式中，rT,‘，吩，‘。分别为齿轮减速器中高速轴齿轮1、中速轴齿轮2、中速轴齿轮3和低速轴齿轮4的基圆。’在系统的结构阻尼矩阵【c1关于系统1j振型的『F交条件不满足时，l，J采川，j一种求解方法，即积分法。为此，须将式2-1作以变换，令pP2-2那么式2?1可以改写为P一【c’】P一[K’]口+【J】。FU2-3式中fC’】-[／J-7FiIK0ⅣrIK】这样，式2．2及2?3可由四阶龙格一库塔方法求解。然后计算出各弹性元件t的动栽荷Miki8j一岛江1，2，．，15；ji+2?42．4计算参数确实定试验证明，计算机仿真的正确与否，除了模型的正确性和计算假定与实际系统的误差有关外，主要取决于计算参数的正确性与精度。有人认为增加系统的质点数相应的自出度也增加了可以更加接近系统的实际情况，其实假设在参数计算时不借助有效的方法和工具，对计算对象某些重要或次要的因素不加以区别，那么就不能提高计算精度，甚至会使计算结果与实际相去甚远。诚然，假设能一一用实验的方法对计算参数加以确定，无疑可以保证数据的可靠性，但是工作中往往不具备所有的试验条件，羞逐个参数加以试验，不仅时她上不允许．雨且耗时也费力，又使研究的费用大大增加。有幸的是对扭振系统这种情况要好得多了，因为系统中多为旋转构件，实验也比拟容易做，而且在前人大量的实验根底上得出的计算公式已经完全能保证数据的误差与实物相比是很小的。2．4．1转动惯量1．电动机转子转动惯量山于电动机转子足m铜线、矽钢片和绝缘体材料等不同的物体组成，可视为由非向同性材料组成，因此无法用公式计算其转动惯量。本文没有对电动机转子的转动惯量进行实测，丰要是采用了产品说明书上的转动惯量值。一般来说，这个数值还是可靠的。2．其余回转体转动惯量对于形状比拟复杂的零件，l，J以看作为I荇1个简单形状的物体所鲜【成，箨坶洵事人学顺l学位论史简单物体绕【uI转轴的转动惯量之和，即为该复杂物体绕该轴的转动惯量。Ⅳ，∑m，R卜m：月；+“．一。R：式中，91．，??复杂物体的转动惯毋：“，??简单物体的质量；尺：??简单物体绕回转轴的刚转半径。F面给出几种常见物体的转动惯量的计算方法。?8I物体转动惯量龃杆，一：一IMP‘12，：；!M2‘1菱险，：：石1Ⅳ口2+62IZ蓁③，．：!揪2‘‘羹短7J。Jy毛M酽J．M甜z．yJ。：．，．：I_M42萋墩，，一：三枷：洳淘#人学坝I‘学位论立毳铬’。，，9MR2j一：j。：1_MR"1MI2‘一44J：：1Ma2+!Mf：‘43Iol，，；MR!+r!||密’J，止去州!+3月～湖平行轴定理‘，：J。+M2M??物体质量卜一平行轴问距离2．4．2刚度起升机构传动系统主要是由圆型截面轴空心或实心，阶梯形轴、联轴器、齿轮等组成，而钢丝绳作为机械系统与重物之间的缠绕连接件也是重要的组成部分之一。1．轴的扭转刚度f9】flo】11111圆型截面轴圆轴扭转时，由于材料服从虎克定律和“平面假定〞，其扭转刚度：女：丝：一JaG西f式中M。??扭矩；‘，。??截面的极惯性矩；G??材料的剪切模量；I??轴的计算长度；≯??扭转角。2阶梯形轴阶梯轴轴径的变化使扭转刚度的计算复杂化。为了计算准确，缚段的影响都应计及。均匀圆截面光轴，其扭角公式为：o：型叫．海海事人学fl受：学位论义对于阶梯轴，其总扭角可按照上面的分扭角的和来平衡量。为了计算方便，引入扭转“曲挠度〞??扣转川度A的倒数：÷。番。历l_。由于在同一根轴上，各段的曲挠度可以直接相加，故!k百1+i1斗h+去。下面给出两种轴截面的曲挠度计算公式。轴曲挠度斛l，kGJ。厶三D；一球扭苜I，女甜；．扔4o，2百2，联轴器的刚度联轴器的刚度是指联轴器传递扭矩时抵抗扭转变形的能力，即单位弧度扭转变形所需的扭矩。由于联轴器工作时其扭矩随电动机传递的扭矩变化很大，在不同的转速下其刚度值也不同，通常称之为动刚度。由于动刚度的测量以及带入振动方程后的数学处理比拟复杂，所以通常的做法是通过动静比由静刚度换算出动刚度。联轴器的刚度通常通过实验法来求取。实验方法是通过对一与联轴器固结的杠杆端部加载测量其在相应力矩下的转角即变形，每次加载的数值不同其转角也不同。从而获得其刚度特性曲线。3．钢丝绳的刚度钢丝绳的刚度可按照下式计算：112]女E，爿／1式中，爿??钢丝绳横断面中金属结构的面积；，??受力钢丝绳的总长度。E。??钢丝绳整体受拉弹性模量．‘J钢结构股、缝数、捻制法仃关，墩E。1?1．2×10。N／，〞2。海海粤人学?!i’学位论文2．4．3阻尼1．轴段或联轴器的阻尼轴段或联轴器的阻尼由相应的轴段或联轴器的实测扭矩响应衰减率束确定。它是由于不完全弹性的结构材料中内摩擦所引起的。材料每单位体系所散耗的能量可以用图2?3滞后回线内阴影面积柬表示。tt31图2．3材料每单位体系所散耗的能量这局部能量将变成热能散失掉。结构材料实际上不是完全弹性的。在振动过程中也就是处于加载卸载中。每一个振动周期即构成一次滞后回线。结构阻尼由此产生。大量的实验指出，对于大多数结构会属。结构阻尼一个周期内所消耗的能量和与应变的幅度平方成tTG。由于振幅与应变幅度成正比。所以由于结构阻尼引起每一周所耗的功矿为：呒S．A22．5S为一代表比例的常数。由此可得结构阻尼的等效粘滞阻尼为：c。：』t：』生：』2．6Lq2二芹一lt．wX2磊旺。6’2．钢丝绳的阻尼文献【¨1建议钢丝绳阻尼度取0．04～0．07，本文取中间值0．055，那么阻尼为：C二2#√而2?7式中，m??货物质量k??钢丝绳的刚艘海海事人学坝l。学位论文2．4．4力矩起升机构传动系统的运动取决于驱动力和产‘卜的阻力特惟，而这些作川往系统上的外力驱动力和阻力本身又与系统的运动状态有关，可以直接利用实测数据。161以上分析有助于对整个起升机构系统进行了解，为起升机构虚拟样机建模‘o仿真提供了依据。摊海事人学顺I+学位论义第三章虚拟样机技术3．1虚拟样机技术开展简介虚拟样机技术，作为一项产业技术，已有20年的历史了。20年前，复杂机械系统运动学和动力学的理论框架已就已搭起，相应的数学方法qt已提出。后柬这种理沦成果为工业界接受，诬渐变成了一项相对独立的产业技术，政变了传统的醍计思想，对制造业产生了深远的影响。虚拟样机技术是‘项新生的一L．程技术。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的设计与过程。3。2虚拟样机技术的内容按照美国前MDI的公司总裁RobertR．Ryau博士对虚拟样机技术的界定，拟样机技术是面向系统设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包括数字化物理样机Digi诅lMock?up、功能虚拟样机FunctonalVirtualPrototyping和虚拟工厂仿真VirtualFactorySimulation三个方面内容。数字化物理样机对应于产品的装配过程，用于快速的评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能；功能虚拟样机对应于产品分析过程，用于评价已经装配系统整体上的功能和操作性能：虚拟工厂仿真对应于产品的制造过程，用于评价产品的制造性能。这三者在产品数据管理PDM系统或产品全生命周期管理PLM系统的根底上实现集成。数字化物理样机Di画talMock-Up，DMU解决方案不同于以uG和CATIA为代表的结构设计软件，不强调结构上的设计，而是更重视物理样机零部件的形态特性和系统装配特性的数字化检视。DMU充分利用镶嵌式三维零件实体造型技术，以增强对大型系统的快速显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览、运动轨迹包括包络、冲突检测等功能，并有效支持协同设计、巡航浏览、干预／碰撞检测等。存与产品数据管理PDM系统集成的情况下，DMU能够提供有效的方法以保证产品的所有零部件配合良好fit特性，并且显示为所设计的形念form特性。在这方面领导潮流的公司／产品主要有Tecoplan、EDS／VisMock．up、Clams和