集装箱正面吊运车防倾覆过载保护装置动力学建模与分析

张连文，李科成，李立新，田亚，赵海滨，胡旭超

（天津商业大学，天津 300134）

正面吊运车主要是用于集装箱码头的大型港口机械设备，也是用于铁路中转站、公路中间站以及集装箱货场的主要物流设备，具有机动灵活、操作方便、稳定性好、轮压低、堆码层数高、视野好、作业幅度大等优点。正面吊运车既可隔排吊箱，也可沿一定角度吊箱，使其可以适应狭窄通道作业，提高场地利用率。其车架借鉴重型叉车，臂架类似于汽车起重机，因而正面吊运车能起到叉车与汽车吊的双重作用。

近年来，由于港口建设和物流业的发展，该产品的市场需求量迅速扩大。目前国内多数使用进口产品，本文设计的产品为国内企业首次成功开发。吊具下额定起重量为45 t，最大起升高度为15.1 m，最大作业幅度为6.3 m，最大空载/满载起升速度分别为420/250 mm/s。

安全可靠是装卸搬运起重机械产品设计开发时首要考虑的问题[1-4]。为了提高作业的安全可靠性能，特别设计了一套防倾覆过载保护装置。本文基于ADAMS软件进行了正面吊运车防倾覆过载保护装置的机构动力分析，为设计出安全可靠的正面吊运车发挥了重要作用。第一台产品在天津港使用已满3 a，目前已生产200多台，安全可靠性也通过了有关标准的实验测试和市场的实际检验[5-7]。

1 ADAMS动力分析模型

1.1 二维几何模型

过载保护装置是本产品在开发设计时，为防止起吊载荷超重导致正面吊运车倾覆而设计的重要安全保护机构。如图1所示，该装置关联的部件有前耳板、腹板、上下翼缘板、左右后耳板、连锁、下锁以及左右后轮胎、左右后轮辋、转向油缸、后桥下配重等。

在正面吊运车工作的过程中，靠传感器来自动检测连锁钩点水平位移。当转向桥前载荷过载导致连锁钩点的水平位移超过某一设定值时就立即停止工作，同时下锁与连锁自动锁死使得转向桥与下配重起到抗倾覆的作用而达到过载保护的目的。

图1 转向桥前载荷过载保护装置二维图

1.2 三维ADAMS模型

MSC.ADAMS具有强大的机构动力仿真分析功能[8-10]。在进行ADAMS模型建立时，可将转向桥前载荷过载保护装置分为3部分：第一部分为连锁；第二部分为联接架，包括前耳板，下翼缘板、左右后耳板以及下锁；其余诸如上翼缘板、腹板、左右后轮胎、左右后轮辋、转向油缸以及后桥下配重等部件为第三部分。在建立ADAMS模型时可将第三部分用施加在联接架上的等效力F加以简化。各部分的质量、质心位置如表1所示，其中前耳板铰点中心设定为坐标系原点。从前向后的方向为OX轴，垂直向上方向为OY轴。

表1 过载保护装置各部分质量质心数据表

图2 防倾覆过载保护装置ADAMS模型简图

转向桥前载荷过载保护装置ADAMS动力分析的等效模型如图2所示。其中，对左、右后耳板与连锁之间的柔性连接用线性弹性橡胶衬套来模拟实际工况下的动力学特性，即创建橡胶衬套；连锁与下锁之间创建接触副，此外在左耳板铰点以及连锁铰点处创建旋转副[10]。其中连锁钩点和下锁钩点在自然状态下的初始位置分别为H（0.842，-0.290，-0.04）和 D （0.885，-0.287，-0.04）。

2 仿真分析

2.1 仿真分析内容

防倾覆过载保护装置的ADAMS机构动力分析主要包括：1）对连锁与下锁接触距离、接触力的分析计算为其材料刚度强度的选择及设计提供重要的理论依据。2）后耳板与连锁之间的轴套位移及受力变化，连锁以及前耳板各自铰接点处的约束力分析对轴套的选择有重要参考作用。3）明确连锁钩点、下锁钩点坐标随时间的变化情况对连锁与下锁机构间隙设计起重要指导作用。

2.2 优化分析设计

选择合理的材料并调整橡胶衬套参数和接触副的冲击参数，可对防倾覆过载保护装置进行优化设计，因为正面吊运车起吊额定载荷45 t时对各部位提出了很高的承力要求[4]。对两组参数进行了优化分析设计：通过优化橡胶衬套的参数，即调整平移刚度、平移阻尼、旋转刚度、旋转阻尼的大小，在满足材料要求的前提下给出了合理的优化设计方案。通过优化接触副参数，即调整冲击函数IMPACT中的刚度、阻尼、力指数、穿透深度4个参数，在满足材料要求的前提下给出了合理的优化设计方案。

对上述模型进行仿真，可得到由于过载导致连锁与下锁接触距离、接触力、接触力矩，左右后耳板与连锁之间的橡胶衬套位移、受力，连锁、前耳板铰接点处的约束力，连锁钩点、下锁钩点位置随时间变化的仿真曲线，部分曲线如图3～9所示。

图3 连锁与下锁接触距离随时间的变化曲线

图4 连锁与下锁接触力随时间的变化曲线

图5 后耳板与连锁之间的轴套位移随时间的变化曲线

图6 后耳板与连锁之间的轴套受力随时间的变化曲线

图7 连锁以及前耳板各自铰接点处的约束力随时间的变化曲线

图8 连锁钩点H的X坐标随时间的变化曲线

图9 下锁钩点D的X坐标随时间的变化曲线

3 结论

应用ADAMS软件对正面吊运车转向桥前载荷过载保护装置进行了动力学分析和优化设计，同时应用于实际产品开发，得到如下结论：

1）图3说明，连锁与下锁在0.015 s的时间就可接触，抗倾覆保护反应迅速。图4说明，连锁与下锁接触的最大作用力为80 kN且在0.031 1 s达到，平稳时为25 040 N。

2）图5说明，后耳板与连锁之间的轴套位移不超过2 mm，平稳时为0.736 mm。图6说明，衬套最大受力接近35 kN，平稳时为7 361 N。

3）从图7看出，连锁以及前耳板各自铰接点处的最大约束力均达到50kN，平稳后分别为18120N和31350N。

4）从图8看出，连锁钩点H处X方向的最大位移为0.855-0.842=0.013 m=13 mm，稳态位移为0.851 9-0.842≈0.010 m=10 mm。

5）从图9看出，下锁钩点D处X方向的最大位移为0.8818-0.885=-0.0032m=-3.2mm，稳态位移为0.8824-0.885=-0.002 6 m=-2.6 mm。

经过仿真对比分析，本文提供的结果为最优设计。同时，通过对产品测试和市场的实际检验，该设计确实可行，可用于类似产品的分析设计。

[1]周伟兴.装卸搬运车辆[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]何三全.综合运输装卸机械[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]胡宗武，顾迪民.起重机设计计算[M].北京：科学技术出版社，1989.

[4]张连文.集装箱正面吊运机的ADAMS运动学分析[J].工程机械，2007，38（7）：19-21.

[5]GB 3811-2008，起重机设计规范[S].

[6]GB/T 5141-2005，平衡重式叉车稳定性基本试验[S].

[7]ISO/TC 110/SC 2.ISO 10525-1997，Counterbalanced trucks handling freight containers of 6 m（20 ft）length and above-Additional stability tests[S].

[8]郑建荣.Adams虚拟样机技术入门与提高[M].北京：机械工业出版社，2003.

[9]李军，邢俊文，覃文洁.Adams实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

[10]MSC.SOFTWARE Corporation.ADAMS Training Guide[M].Santa Ana CA USA，2004.