造船门式起重机大车碰撞端部止挡仿真分析

马峰，殷晨波，夏明睿

(南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京211816)

0 引言

造船门式起重机(以下简称门机)具有结构复杂、起重量大、工作环境恶劣等特点，在使用过程中极容易发生事故，并且发生事故的后果极为严重［1］，其中大车碰撞端部止挡是引发事故的一种典型危险工况。由于天气、防风装置失效等原因，门机与端部止挡发生碰撞，可能导致整机倾覆，造成生命财产损失。目前，国内关于门机碰撞的研究主要处于事故防范措施和理论分析阶段。文献［2］只从理论的角度探讨分析了门机碰撞状态的确定、碰撞后吊具的运动，尚未对碰撞过程做详细分析。本文利用虚拟现实技术对门机大车碰撞端部止挡进行了仿真模拟，对比分析了碰撞过程中大车速度、车轮接触力、碰撞力的变化情况，为造船门式起重机碰撞安全技术的研究提供数据支撑。

1 碰撞理论

如图1所示的碰撞模型中，当I和J距离下降至名义自由长度(q0)，即2个物体开始碰撞。碰撞力由2部分组成，弹性(或刚性)力和阻尼(或粘性)力。刚性力与k成正比，是关于I点与J点在自由长度范围内穿透量的函数，且与穿透量成反比。阻尼力是关于穿透速度的函数，方向与相对运动方向相反。接触力碰撞力大小与刚度系数k，变形量q0—q，碰撞指数e，阻尼系数C和阻尼完全作用时变形距离d有关［3-4］。

图1 碰撞力模型

2 门机虚拟样机模型的建立

根据门机大车碰撞端部止挡的运行特点，利用Pro/E建立门机的三维几何模型，并将模型导入ADAMS中，对部件施加相应的约束和载荷，建立起虚拟样机模型，模型由主梁、刚性支腿、柔性支腿、小车、大车运行机构等组成，如图2所示。

图2 门机虚拟样机模型

3 工况描述

根据门机大车碰撞端部止挡实际运行情况，设计了表1所示的试验工况。

表1 大车碰撞端部止挡试验工况

4 仿真分析

4.1 工况一

1)大车速度

大车从静止作匀加速运动，加速度为0.42 m/s2，约4 s后到达额定速度30 m/min(0.5 m/s)，并保持此速度作匀速直线运动，直至与端部止挡发生碰撞，得到的大车运行速度曲线如图3所示，由图得到，大车从静止开始运动到碰撞挡块的时间约为4.8 s。

图3 大车速度曲线

2)碰撞力

大车与端部止挡的碰撞力曲线如图4所示，由图得到，大车缓冲器和端部止档发生碰撞时，大车迅速反弹后退，碰撞瞬间产生巨大的碰撞力，之后再碰撞反弹，缓冲器与止挡块间的碰撞力约为3.5×106N。

图4 大车碰撞力曲线

3)大车轮接触力

柔性支腿后端大车轮接触力曲线如图5所示，由图得到，当门机未与端部止挡发生碰撞时，后端大车轮的接触力比较稳定，基本在9.0×105N上下波动。当大车缓冲器与端部止挡发生碰撞时(约4.8 s时)，由于惯性的作用，大车后端车轮有抬起的趋势，接触力暂时降为0，之后又重新落回轨道，与轨道产生一个较大的接触碰撞力，约为3.5×106N。

图5 后端大车轮接触力曲线

通过以上数据分析，表明在此工况下，后端车轮有抬起的趋势，门机瞬间产生不稳定的状态，可以采取相应的防范措施，提高缓冲器的性能，减小碰撞的刚度，避免门机碰撞时发生重大事故。

4.2 工况二

1)大车速度

大车的速度曲线如图6所示，由图得到，虽然驱动轮上施加的驱动与工况一的相同，但由于门机运行时受到了同向台风的作用，因此大车运行的速度大于图3的速度，大车从静止开始加速碰撞端部止挡只用了1.7 s，碰撞时的速度1.7 m/s，相较于工况一中大车从静止到碰撞端部止挡用时4.8 s，碰撞速度 0.5 m/s，额定速度 0.5 m/s，说明在台风作用下，门机发生打滑。

图6 大车速度曲线

2)碰撞力

大车缓冲器和端部止挡间的碰撞力曲线如图7所示，由图得到，在台风作用下，大车缓冲器和端部止挡发生连续多次碰撞，碰撞力达到6.5×106N(工况一中碰撞力约为3.5×106N)。

图7 大车碰撞力曲线

3)大车轮接触力

由图8得到，当大车以较大的速度(1.7 m/s)与端部止挡发生碰撞时，大车后端车轮抬起，抬起时间约1.5 s，之后又落回轨道，与轨道产生一个较大的接触碰撞力，约为6.5×106N。

图8 后端大车轮接触力曲线

通过以上数据分析，说明在台风状态下门机进行吊装作业是及其危险的，可能导致整机倾翻。

4.3 工况三

1)大车速度

在台风作用下，由于防风抗滑装置的失效，大车轮能任意转动，大车的速度曲线如图9所示，由图得到，大车从静止作加速运动，碰撞端部止挡仅用了1.2 s，碰撞时速度达到2.4 m/s，相较于工况二中对应的值(大车碰撞挡块用时约1.7 s，碰撞时的速度约1.7 m/s)，大车运行速度比工况二中的更大，碰撞用时更短，门机大车轮与轨道间不再打滑，而是产生了滚动摩擦。

图9 大车速度曲线

2)碰撞力

由图10得到，门机在台风的作用下以很大的速度碰撞端部止挡，碰撞力达到1.2×107N，相当于工况二中碰撞力的1.8倍。

图10 大车碰撞力曲线

3)大车轮接触力

由图11得到，当大车以很大的速度(2.4 m/s)与端部止挡发生碰撞时，大车后端车轮抬起，车轮与轨道接触力始终为0，门机发生纵向倾覆。

图11 后端大车轮接触力曲线

通过以上数据分析，说明在台风状态下防风抗滑装置的失效或未启用，门机会在台风的作用下加速前进，与端部止挡发生碰撞，导致整机倾覆，后果严重，应避免此类情况的发生。

5 结论

采用Pro/E和ADAMS联合建模法建立了某工厂300 t/43 m门机的虚拟样机模型，利用虚拟现实技术对门机大车碰撞端部止挡工况进行了模拟仿真，对比分析了碰撞过程中大车速度、碰撞力、车轮接触力的变化情况，为门机碰撞安全技术的研究提供参考。

［1］陈永玉.门式起重机常见事故规律分析与对策研究［J］.中国安全生产科学技术，2011，7(5):163-166.

［2］梁承姬，孙勋武.岸边集装箱桥式起重机仿真训练器吊具碰撞分析［J］.起重运输机械，2006(10):28-31.

［3］张守谦.门式起重机虚拟样机参数化建模与仿真［D］.上海:华东理工大学，2009.

［4］李昌，韩兴，孙志礼.基于Pro/E和ADAMS的齿轮啮合精确动力仿真［J］.机械与电子，2008(1):55-58.