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芈松
（安徽机电工程学校,安徽风阳233 100）
摘 要：基于四连杆机构理论,在UG环境下搭建了简化的鹤式起重机三维实体模型,运用ADAMS软件对其进行了装配约束下各零部件的模态振型分析,为改进其结构设计和避免结构共振做了有益探索.
关键词：鹤式起重机；三维建模；模态分析
中图分类号：TH122
文献标识码：A
文章编号：1673-3142(2010)06-0018-03
起重机械广泛应用于工矿企业、港口码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、宇宙航行等各个工业部门,起重机械与运输机械发展到现在,已经成为合理组织大量生产和机械化流水作业的基础,是现代化生产的重要标志之一.本文根据四连杆机构的理论基础和运动特性,首先在UG环境下搭建简化的起重机三维模型,而后以Parasolid格式作为信息传递的标准,将三维CAD模型导人ADAMS软件中进行装配约束下各零部件的模态振型分析,研究其振动力学特性.
随着振动理论及其相关学科的发展,振动特性分析在结构设计和评价中逐渐占有极其重要的位置；特别是随着现代工业的进步,许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展,对动态特性的要求越来越高,振动分析愈显重要.因此,对鹤式起重机进行振动力学分析,具有很高的经济意义和实用价值.
1. 鹤式起重机结构及工作特点
鹤式起重机是以间歇、重复工作方式,将重物通过起重吊钩或其他吊具悬挂在承载构件（如钢丝绳、链条）上进行起升、下降,或升降与运移的机械设备,具有短暂重复的循环作业的工作特征.一个工作循环的时间一般只有几十秒到几分钟,最长也不过一二十分钟,工作循环时间的长短不仅取决于起重机各机构的运动速度,而且也依赖装卸物料的辅助时间的长短.鹤式起重机常见于港口码头,它是一种四杆机构,它的原动杆为尾部的配重,设计要求起吊平稳、起吊后平移,它对运动轨迹要求较高,如图1所示起重机中,当四杆机构ABCD的构件CD摆动时,连杆BC上悬挂重物的E在近似在水平直线上移动,以避免不必要的升降,减少能量消耗.
2.鹤式起重机三维建模
由图1鹤式起重机运动结构简图可以看出,其实际上就是平面四连杆机构在社会生产中的具体应用,更具体地讲是双摇杆机构的应用.目前,国内外市场上流行的三维CAD软件种类繁多,主要有Solidworks、SolidEdge、I-DEAS、Unigraphics、PRO/E、CATIA、等我们进行CAD支撑软件选择时,主要考虑了以下几点：(1)软件技术的领先性和技术的可持续发展性；(2)用户群的数量；(3)软件功能模块的丰富程度；(4)软件的易学易用性；(5)是否有功能强大、高效率的二次开发模块.Unigraphics(简称UG)是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAD/CAE/CAM高端软件.作为一个集成的全面产品工程解决方案,UG软件家族使得用户能够数字化地创建和获得三维产品定义：所以,UG软件被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化制造等各项工作.在本次研究中对起重机进行三维建模时,选择UG作为支撑软件,所建立的鹤式起重机三维实体装配模型如图2所示.
3.鹤式起重机模态分析
将UG环境中建立的鹤式起重机三维模型以Parasolid格式文件导人到ADAMS (AutomaticDynamic Anaylsis of Mechanical Systems)软件中,建立多体系统动力学模型,施加相应的运动副约束后,即可进行起重机整机系统振动力学分析.
3.1 鹤嘴在装配约束下的模态分析
在ADAMS软件中进行起重机振动分析时,可以得到起重机各部件在装配约束下的模态变形,其中鹤嘴在装配约束下的模态振型如图3所示,各阶模态振型所对应的固有频率如表1所示.
图3中的各图分别表示鹤嘴在装配约束状态下的前五阶模态变形,图中,圆圈处表示位移变化最大处,也即变形应力最大处.可以看出,在不同的固有频率下,出现最大应力的地方也随之发生改变.在一阶模态变形时,位移变化最大发生在鹤嘴端附近.在二阶模态变形时,位移变化最大发生在鹤嘴与平衡臂接合处.在三阶模态变形时,位移变化最大发生在鹤嘴中部.在四阶和五阶模态变形时,位移变化最大发生在鹤嘴前部附近.
3.2 平衡臂在装配约束下的模态分析
经模态分析,平衡臂在装配约束下的模态振型如图4所示,各阶模态振型所对应的固有频率如表2所示.
图4中各图分别表示平衡臂在约束状态下的前五阶模态变形.可以看出,在不同的固有频率下,最大应力处（图中圆圈处）基本都发生在平衡臂与鹤嘴接合处,所以,在平衡臂结构设计时应增加此处的强度.
3.3 吊臂在装配约束下的模态分析
吊臂在装配约束下的模态振型如图5所示,各阶模态振型所对应的固有频率如表3所示.
图5中各图分别表示吊臂在约束状态下的前五阶模态变形.由图可见,在一阶模态变形时,最大应力发生在三角形吊臂的顶角处：在二阶模态变形时,最大应力发生在吊臂三角形底边中点附近：在三阶模态变形时,最大应力发生在吊臂中部.在四阶和五阶模态变形时,最大应力发生在吊臂的两端点处.根据表3,由于一、二阶固有频率较低,容易激起共振,所以在结构设计时,应加强三角形吊臂顶角和底边的强度,防止共振折断发生安全事故.
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4. 结束语
随着新世纪全球工业格局的新变化和我国工业技术水平的快速发展,创新设计越来越引起各行各业的重视：起重机市场近年来也异常地活跃起来,这无疑给起重机的设计带来了更高层次的发展要求,有关起重机的安全可靠性及结构优化设计的研究愈来愈受到人们的重视.本文采用UG软件和ADAMS软件联合建立起重机模型并进行模态振型分析的方法,求出起重机各部件分别在装配状态下的五阶振型模态变形图,找出了最大应力处,为改进机器结构设计和轻量化方面探索了一条高效的捷径,具有重要的工程实际意义.本文使用的分析方法可供其他类似机械（如门座式起重机、桥式起重机和装卸桥）的结构强度分析研究借鉴.
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塔式起重机引用文献:
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