桥式起重机的发展概述

黄家辉 王帅 李胜

摘要：随着计算机技术的飞速发展，国内外很多起重机生产商开始利用仿真技术来对产品进行设计，以提高产品的设计速度，缩短设计周期，提高设计可靠性。在产品设计时通过建立结构的三维模型并模拟其运动过程，然后对仿真结果进行分析，以判断设计的产品是否满足要求，若不满足设计要求，可在产品设计初期对其进行改进，以达到降低设计成本的目的。目前国内很多生产厂商利用三维软件对起重机的重要部件进行优化设计，以降低设计和生产成本，提升企业竞争力。

仿真模拟则为实现更加经济，可靠，复杂，高性能的起重机设计提供了一种新型的设计手段。

一、研究的背景和意义

起重机械可以完成仅靠人力无法完成的重物搬运工作，可用来进行起重、运输、安装和装卸的机械减轻了人类的劳动，提升了速率，在车站、工地、港口、工厂、矿场、仓库、水电站、大坝等各种领域中得到了广泛的应用。起重机为不可缺少重要机械设施，不仅是生产过程中辅助机械，对于起重机的操作它直接影响到我们的生命安全和财产安全。起重机它是一种短程搬运材料的工具，它的运动方式是循环的，间歇的运动。起重机的一个工作周期包括：通过起升机构把我们需要提升的物体提起，然后进行移动，最后在特定的位置使物体下降，放在特定的位置，这样循环往复工作。

二、桥式起重机设计的发展状况

1、国内桥式起重机的发展现状

随着电子信息技术的发展，国内外许多起重机制造商已经开始使用仿真技术来设计产品，使用更高效和可靠的仿真技术来提高产品设计速度，提高设计的可靠性，并直接通过仿真分析设计判断是否达到设计目标，以减少生产成本的原型。

目前，国内起重机正在从多个领域和方向上进行优化，以提高企业的竞争力。

中国起重机的研究和发展趋势包括以下几个方面：

（1）优化设计：仿真设计是优化设计中常用的一种。

该产品不仅要考虑其静态特性，还要考虑其动态特性，但静态特性不能通过实验方法反映出不同条件下的动态特性。动态特性要求样品的生产，但在产品满足设计要求之前制造样品浪费时间，增加了很多成本。仿真技术可以模拟产品在不同工况下的动态响应。通过仿真数据对设计的质量进行了评价，实现了无纸化设计，大大降低了设计的时间和成本。

（2）新材料的应用：由于钢铁行业的技术改造，钢材产品的质量得到了提高，使用的材料数量可以减少，从而降低了设备的重量，降低了成本。在设计吊车梁强度时，可以不需要较高的安全系数就可以使用较高的许用应力，这减少了所使用的材料的数量，而且由于可用驱动器的重量较轻，功率降低，降低了电力成本。

（3）模块化设计：通过建立一个多层次的标准化和模块化单元，如起重机的结构、机构、部件等，产品的改进只需要对目标模块进行修改，大大加快了新产品的开发。

（4）“三个趋势”和“三个特征”的发展：目前，中国正朝着大规模、自动化、一体化的方向发展：创新、可靠、安全，提高产品生产质量和生产效率，产品市场竞争力继续提高。

（5）开发新的驱动组件：通过开发新的驱动组件，将发动机、制动器、减速机等机构的简化集成到一起。这种三合一结构不仅提高了操作机构的性能和寿命，而且提供了一个紧凑的结构，保养方便，外形美观。[1]

2、国外桥式起重机的发展现状

虚拟样机技术已在西方发达国家得到推广和发展。德国、美国、日本等资本主义国家在这一新兴技术领域取得了显著的成就，在汽车工业、电子工业、神经网络、航空航天、工程机械、生物力学、医药、人工智能等领域都得到了广泛的应用。

在理论研究的基础上，运用离散有限元法建立了桥式起重机的运动学方程，建立了起重机的多自由度力学模型。研究了不同工况下桥梁结构的动态特性：美国学者Ali T. Alouani开发了一种系统的模糊控制器，在起重机运行过程中实现了绳索的摆动;Blackburnd和Singhosew开发了一种命令成型算法用于提高非线性塔式起重机旋转运动的阻尼效应;克罗地亚学者Jolevski Danijel证实了控制器在桥式起重机模型中的应用，并与传统的控制系统进行了比较，以防止绳索的摆动。

作为世界上最重要的建筑机械制造商之一，卡特彼勒在上个世纪90年代一直处于领先地位。

由于计算机技术的快速发展。这家公司便尝试将仿真技术应用到产品的设计和开发过程当中，整个设计过程和公司研究和开发的成本已经大大降低，同时公司也保持一个稳定的市场份额。

同样的，为了解决高速施工机械的弯道现象和在重负下的自激振动，John Deere在没有有效解决方案的前提下采用了虚拟樣机技术，使工程师能够找到问题的根本原因。该公司还在原有计划的基础上提出了技术创新，大大提高了产品的高速驾驶性能和重型经营性能，使产品在市场上更具竞争力。它的设计、装配、性能评估和分析都是通过仿真技术完成的，这不仅减少了设计变更的数量，也降低了开发成本高达94%，提高了10倍的模具设计的精度，使开发周期减少了近50%。[2]

三、虚拟样机技术的发展

虚拟样机技术指的是在实物原型建立之前的产品开发阶段。设计师使用计算机系统来构建产品的整体模型，使用仿真分析来模拟产品投入使用后的实际情况，并以图形的方式显示出来。

使用虚拟样机代替实物原型验证设计可以大大简化机械产品的设计和开发过程，大大缩短产品开发周期，大大降低产品开发成本，显著提高产品质量，提高产品系统性能，从而实现优化设计和创新设计。

多体系统的动力学它的计算是由计算机技术在静态分析和运动学分析以及力学系统的动力学分析这些方面的应用而产生的，从而产生了多体运动学的分析软件，ADAMS就是代表之一。它与有限元相结合，成为了计算机辅助工程（CAE）非常重要的一部分。非常多的新技术集成到了虚拟样机技术当中，而多体系统动力学的核心就是模型的建立。数值计算的方法是应用数学的一个重要分支，为模型求解提供了一种快速有效的方法。计算机技术是其实现的外壳。CAD＼CAM＼CAE集成开发技术对虚拟样机的应用和推广提供了非常好的技术条件。他的三维计算机图形技术以及基于图形的用户界面的技术非常成熟，并且计算机的可视化和动画技术的发展已经比较成熟，这也为该项技术提供了友好的人机界面。

参考文献：

[1]须雷.起重运输机械国内市场需求预测[J]，世界机电经贸信息，1996，11：23-24

[2]洪嘉振.多体系统动力学——理论、计算方法和应用.上海：上海交大出版社，1992

[3]张越今.多体动力学仿真软件ADAMS理论及应用研讨.机械科学与技术，1996

[4]李军，邢俊文，谭文浩等编.ADAMS实例教程.北京：北京理工大学出版社，2002