基于Pro/E伸缩折叠起重机虚拟设计与运动仿真

卢志珍，舒希勇，倪学虎，王成龙

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

（1. 淮安信息职业技术学院，淮安 223003；2. 淮安远航船用设备制造有限公司，淮安 223001）

0 引言

在中小型船舶上，由于甲板上场地及空间窄小，艏艉楼、塔柱等固定结构较多，或起吊特殊的物品、爆炸物时以防悬挂的钢丝绳过长而偏摆引起碰撞，或因特殊救助打捞等作业要求，经常需配备具有伸缩和折叠功能的起重机。这种起重机，整体部件较多，运动也比较复杂，尤其是伸缩和两次折叠动作。传统的方法是很难精确确定各构件的外形尺寸及在运动过程中的相对位置，但在运用Pro/E进行产品设计、虚拟装配与机构运动仿真后，可以求解出各构件最佳的空间位置和空间形状，从设计上降低系统的运动干涉。本文以20KN-9M船用伸缩折叠起重机为例，运用Pro/E软件，实现了该起重机整体机构虚拟设计、装配以及运动仿真，对设计中出现的问题做出了改进，缩短了产品开发周期，加快了产品开发速度，同时也使设计人员在设计产品的时候尽量减少失误，实现了设计的最优化。

1 船用伸缩折叠起重机工作原理

船用伸缩折叠起重机展开工作时如图1所示，该起重机利用起升绞车、钢丝绳实现重物和吊具的升降。起升绞车由液压马达驱动，经高强度的行星齿轮减速箱带动卷筒卷绕钢丝绳完成货物的升降。工作中利用变幅液压缸实现吊臂变幅，利用回转马达驱动行星齿轮减速箱，使装在行星齿轮减速箱上的小齿轮与回转支承的内齿圈直接啮合实现整机回转。起重机在作业完成后，利用多级液压缸实现伸缩臂伸缩动作，将两节伸缩臂缩到基本臂内。利用折臂液压缸实现基本臂与调幅臂折叠，调幅臂与回转支座折叠。折叠后起重机如图2所示。两次折叠收到最小的外形尺寸，折叠后的起重机仅占打开工作时起重机空间的1/4，从而减少设备占用空间，降低设备重心，减小船舶在航行时的摇摆幅度。

1—基座；2—回转支承；3—回转支座；4—起升绞车；5—变幅臂；6—基本臂；7—伸缩液压缸；8、9—伸缩臂；10—变幅液压缸；11—折臂液压缸图1 起重机总图

2 船用伸缩折叠起重机主要结构设计

以下就起重机主要结构以及在起重工作过程中的功能进行分析。

2.1 基座部分

基座设计成圆筒形结构，它主要用来承担起重机的全部正压力和倾覆力矩，上部法兰面用来联接回转支承，下部与船舶甲板底座相联接，上下法兰

图2 折叠后起重机

图3 基座

与圆筒之间有加强筋连接，基座内有支撑，起加强作用，电动机安装在该支撑中间。圆筒上设有一个供安装和维护的人孔。基座结构如图3所示。

2.2 回转支座部分

回转支座设计成四边形柱状结构，下部用高强度螺栓与回转支承连接，内有回转机构，回转支承与回转机构中的小齿轮相啮合，能同时承受轴向力和倾覆力矩等复杂载荷，利用装在内部的回转马达驱动回转支承实现整机和起吊重物一起作顺时针或逆时针两个方向连续旋转。回转支承上部用销钉连接变幅臂，其旁边装有起升绞车。回转支座结构如图4所示。

图4 回转支座

2.3 变幅臂部分

变幅臂设计成箱型结构，在变幅液压缸作用下，它既能带着基本臂和伸缩臂绕回转支座的销轴向上变幅，也能绕销轴向下回转，与整机折叠。变幅臂结构如图5所示。变幅臂一端端通过销轴与回转支座相连接，一端与基本臂相连接。为了使结构紧凑，合理利用空间，将折臂液压缸设计在变幅臂下方，这样变幅臂的截面便设计成一种开口的门型结构，如图6所示。

图5 变幅臂

图6 变幅臂截面

2.4 基本臂部分

基本臂设计成箱型结构，其右端开口，作业完成后，两节伸缩臂可以缩进来。基本臂采用了基本臂臂体与变幅臂分开连接，使基本臂与变幅臂运动不在同一条轴线内，（两轴线尺寸为368mm）满足了基本臂与变幅臂折到最小角度的折叠要求。基本臂结构如图7所示。

图7 基本臂

2.5 伸缩臂部分

两节伸缩臂都是箱型结构，第一节伸缩臂缩进第二节伸缩臂，第二节伸缩臂缩进基本臂内，当它们伸开时，可以使起重机吊臂加长，这样便能增加起重机作业范围。当作业完成后，两节伸缩臂缩进基本臂，可以收到最小的外形尺寸，从而减少设备占用空间。伸缩臂结构如图8所示。

该伸缩折叠起重机还有一些辅助部分如吊钩装置、起升绞车、导绳器等，在此不再做介绍。

图8 伸缩臂

3 船用伸缩折叠起重机整机虚拟装配及运动仿真

为完成船用伸缩折叠起重机的运动仿真，需要对起重机整体进行虚拟装配，虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。在Pro/E提供的自下而上的设计模式中，先在零件模块中构造各个零件的三维模型，然后在装配模块中建立零部件之间的连接关系，它是通过配对条件在零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。

在装配元件时，若此元件为机构中可移动的元件，则要设置适当的连接条件，使此元件与现有组件上的元件连接在一起。不同的连接条件提供不同自由度及不同的移动功能，以使元件能在机构运动仿真时有正确的运动方式。Pro/E中对动态机构提供了多种连接条件，如刚性，销钉，滑动杆，圆柱等。

本起重机在虚拟装配时，先将各部分进行虚拟装配，再将各部分进行总装。装配过程在此不再赘述。当各部分和总体装配完成后，可在分析选项中选择模型中的全局干涉检测，结果显示各零件设计尺寸及总装不存在干涉。

机构设计是Pro/E Wildfire的一个应用模块，其功能是对组件产品进行机构分析及仿真，这样可以使原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，从设计上将系统运动干涉的可能性降到最低。本起重机在虚拟装配完成后，为确认起重机回转、变幅、伸缩、折叠等运动中是否存在干涉，故对整机进行虚拟运动仿真。如图9所示，在回放中，可清楚看到运动过程中各部件运动位置，结果显示各部件按照预先设定的运动路线运动，基本臂与变幅臂、变幅臂与整机基座折叠角度合理，折叠后各构件不发生干涉，为下一步起重机实物装配提供重要的参考角度。

4 结论

通过运用Pro/E，对20KN-9M船用伸缩折叠

式起重机结构设计、虚拟装配及机构运动仿真，不但使机构的造型形象化、可视化，而且也使整个仿真过程精确、高效，这是传统的静态的方法实现不了的。虚拟运动仿真结果表明，船用伸缩折叠式起重机整机结构是正确的，缩设计的变幅、回转、伸缩、折叠等动作是可行的。本虚拟设计和运动仿真能精确确定各构件的外形及各构件在运动过程中的相对位置。同时也为起重机液压元件尺寸选择提供较重要的参考数据，大大缩短起重机的设计周期，节约了研制经费。

图9 起重机运动仿真

[1] 魏俊波, 胡国清, 杨华. 基于Pro/E的自动磁环绕线机虚拟设计与运动仿真[J]. 机械设计与制造, 2011(5): 57-59.

[2] 葛正浩, 杨芙莲. Pro/ENGINEER Wildfire 3.0机构运动仿真与动力学分析[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.

[3] 林清安. Pro/ENGINEER野火3.0中文版动态机构设计与仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[4] 二代龙震工作室Pro/Mechanism Wildfire 3.0/4.0机构/运动分析[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[5] 周尔民, 肖乾. Pro/Wildfire实现变速器的虚拟装配和运动仿真[J]. 煤矿机械, 2007, 28(2): 78-80.

[6] 汤兆平, 孙剑萍. 基于Pro/E的内燃机曲柄连杆机构虚拟装配与运动仿真[J]. 机械设计与制造, 2009(12): 607-62.