高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真

吕宇飞1 曹旭阳1 高顺德1 祁 鹏1 徐宏伟21 大连理工大学机械工程学院 大连 116021 2 大连华锐重工集团有限公司 大连 116013摘 要：建立了三代核电环行起重机整机的刚柔耦合模型并进行动力学仿真，分析了其在两种实际工况：小车位于桥架左极限位置固定不动，大车单独运行；小车位于桥架中间位置固定不动，大车单独运行时影响运行精度的重要参数—水平导向轮侧向力的时间历程和柔性桥架的变形情况，以及二者综合导致的整机定位误差。由仿真结果可知，在整机运行过程中最大误差为2.8 mm，满足技术要求。文中得出的数据及结论对研究核环行起重机的运行规律以及结构柔性导致的对定位精度的影响有重要的参考价值。关键词：核电环行起重机；水平导向轮侧向力；定位精度；动力学仿真；耦合中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）10-0123-050 引言核电环行起重机（以下简称核环吊）是一种特殊结构的桥式起重机，其区别于一般桥式起重机的特点是起重机大车在一环形轨道上运行。核环吊作为核电站内的主要起重设备，核电站设备的安装与检修、停堆更换核燃料等各种起重任务都需要核环吊来完成。由于其工作环境的特殊性，在设计制造与运行阶段对定位精度的要求都比较严格。在竖直方向（即起吊方向），文献[1] 通过建立核环吊吊钩组钢丝绳缠绕系统的力学模型，采用静平衡方法研究某核环吊在不同起升重量、不同起升高度下吊钩组的运行轨迹及直线度偏差，其结论对核环吊在竖直方向上的精度控制具有指导意义。在水平方向，由于起重机大车是在环形轨道上运行且小车位置不固定，整机会产生质心与旋转中心不重合的情况，导致大车的运行出现偏斜，即大车的驱动轮并不严格在理论圆运行，而是沿径向产生了位移。同时，大车桥架由于受力、驱动装置不同步等因素导致的变形会加剧这种现象，从而不能达到要求的精度，若偏移过大还会发生安全事故。为了限制这种偏移，大多数起重机的驱动轮往往设计成双轮缘垂直车轮，用轮缘承受偏斜运行时产生的水平侧向力，但这会使轮缘与轨道间产生的刚性力加大、运行的阻力加大，轮轨间产生严重的磨耗，需频繁更换驱动轮或轨道，很不经济。目前，新一代核环吊趋向于采用无缘车轮加导向轮的结构进行驱动，用导向轮来承受桥架偏斜产生的侧向力，同时起导向作用，使大车沿环形轨道运行。但是，这种组合形式会因大车桥架的偏移使侧向力过大，这对核环吊的精确定位有很大影响。文献[2] 通提出了改变水平轮弹簧强度、导向轮分布形式以降低水平轮侧向力值，以期减小运行误差。文献[3] 提供了在核环吊工作过程大车出现跑偏时应该采取的一些纠偏策略。以上文献均是希望通过调整结构来减小整机的定位误差，而对于影响核环吊定位精度的重要参数—水平轮侧向力的研究尚处于空白阶段。基于此，本文通过Ansys 与ADAMS 的联合仿真，模拟真实运行工况，通过研究水平轮侧向力值与分布情况，综合桥架变形得出整机的运行误差，一方面检验其定位精度；另一方面，为后续核环吊水平轮侧向力的深入研究提供参考。1 刚柔耦合模型建立利用三维建模软件Pro/E 建立详细的起重机模型，另存为Parasolid 文件导入动力学分析软件ADAMS 中，建立核环吊多刚体模型。然后利用有限元软件Ansys 对关键部件进行柔性化处理，替代多刚体模型中的对应部件，完成刚柔耦合模型建立。1.1 建立柔性体模型核环吊桥架结构跨度大、结构复杂，其结构变形对整机的定位精度有重要影响，故将其进行柔性化处理（见图1），代入刚柔耦合模型中。柔性桥架建立完成后，对其进行模态分析，确定在此频段在内部或外部各种振源作用下产生的响应、振动及形变[4]，其结果在模型导入ADAMS 时可作为模态选取的依据。模态分析的结果见表1。图1 桥架有限元模型1.2 ADAMS 刚柔耦合模型的属性及约束将刚性部件与柔性部件全部导入ADAMS，并对部件按照实际工作情况添加属性与约束，具体步骤包括：按照各部件的实际质量赋予密度属性；创建约束副并施加驱动。将轨道与地面用固定副约束，大车运行机构中相互之间可以转动的部件添加转动副，在整个部件与桥架之间添加固定副，小车与桥架也添加固定副。大车运行机构包括4 组车轮，每组车轮有一个驱动轮，4 个驱动轮分别驱动，驱动函数均为：（速度参数按轮组左右分正负）step(time，0，0，5，0.25)+step(time，5，0，1 300，0)+step(time，1 300，0，1 305，-0.25) 在该函数驱动下大车将经过5 s 的匀加速达到0.25 rad/s（6m/min）的速度，然后匀速1 295 s，最后经过5 s 的匀减速停止。在此过程中，车体会环绕轨道运行一周。仿真速度见图2。图2 驱动轮速度示意1.3 车轮与轨道之间的接触在大车轮—轨道、导向轮—轨道之间添加接触模拟实际运行情况，轮轨接触的接触力依据冲击法（Impact）函数来计算，其接触力大小取决于刚度系数K ，非线性指数e ，阻尼系数c 和最大击穿深度d 。此外，碰撞物体的材料与形状决定刚度系数K ，其计算表达式为[5]式中：R 1、R 2 为两个碰撞物体在接触点处的主曲率半径，μ 1、μ 2 为碰撞物体材料的泊松比，E 1、E 2 为碰撞物理的弹性模量。定义轮轨间的静摩擦系数mus 、动摩擦因数mud 、静摩擦转换速度v s 和动摩擦转换速度v d 等摩擦力参数，根据实际材料参数以及文献[6] 中相关参数的关系，选择表2 所示接触力与摩擦力的相关参数。1.4 导向轮弹簧约束在实际工作中，导向轮与斜支腿之间通过一黏滞阻尼器相连，黏滞阻尼器是一种与刚度、速度相关型阻尼器，可在运行中吸收车体偏移产生的侧向力，缓解导向轮与轨道之间的冲击。在模型中用两根参数相同的弹簧来代替黏滞阻尼器，弹簧劲度系数K ＝ 37 500 N/mm，用得到的弹簧力值模拟车体运动产生的实际侧向力值。弹簧约束如图3 所示。全部属性添加完成后，利用Cable 模块建立简化的钢丝绳模型悬挂重物模拟吊运过程[7]，完成全部建模。图3 导向轮弹簧示意2 刚柔耦合模型仿真及结果分析模型建立完成后分两种工况对整机进行动力学仿真，通过数据曲线分析机构的运动性能[8]。在仿真结果中选取对整机定位精度影响最大的水平轮侧向力及柔性桥架的变形作为分析对象，分析整机在水平面内的运行误差。由于吊重通过简化的钢丝绳模型悬挂，其运行轨迹与实际工况有偏差，故以小车质心作为测量点，测量其在整车环行一周过程中在水平面内的偏差值，即整机在不同工况下的定位误差。为了便于说明，将导向轮按照逆时针方向编号（即图4 所示序号1 ～ 4），大车沿逆时针方向转动一周。图4 整机运动示意图1）小车位于桥架左极限位置固定不动，大车单独运行（工况1）①水平轮侧向力水平轮侧向力数值变化如图5 所示，方向沿导向杆指向桥架中心。在工况1 的整个运行期间只有导向轮组1、2 与轨道接触，由于水平轮与轨道间存在间隙，故在运行开始后一段时间轮轨才开始接触产生侧向力，并逐渐增加至峰值保持不变。由图5 可知，侧向力1 峰值约为侧向力2 峰值的1.5 倍，这是由于大车轮启动不同步导致桥架偏斜产生的，而启动不同步是因小车位置导致桥架两侧大车轮正压力不同使两侧车轮所受摩擦力不同而造成的。（a）侧向力1 （b）侧向力2图5 仿真侧向力变化示意②桥架变形与受力由于桥架是柔性体，在运行过程中由于左右两侧正压力不同，导致桥架发生变形。以水平轮斜支腿为测量位置，编号情况同上，桥架各端点位置相对变形情况见表3。注: 偏移值以初始值为基准，伸长为“+”，缩短为“-”，质心降低为“-”。由表3 可知，在运行过程中，桥架由于受力发生变形而不再保持规则的矩形形态，这种变化必然会影响与其固连的大车运行机构，使运行过程偏离最初的设定，产生误差。桥架在运行开始的一瞬间存在应力突变的现象，在平稳运行开始后应力的分布保持稳定，得到的应力值满足结构强度要求，稳定状态下的应力云图如图6所示。图6 稳定状态下的应力云图2）小车位于桥架中间位置固定不动，大车单独运行（工况2）①水平轮侧向力水平轮侧向力变化如图7 所示，方向沿着导向杆指向桥架中心。在工况2 的整个运行期间只有导向轮组3、4 与轨道接触，变化过程与工况1 相似。这是因为虽在空间位置上处于桥架的中间位置，但实际上整车的质心（大车、小车与重物）偏向桥架右侧。仿真产生的侧向力也相对工况1 有显著降低。（a）侧向力3 （b）侧向力4图7 仿真侧向力变化示意②桥架变形与受力相对于工况1，由于小车位于桥架中间位置，整机结构比较对称，仿真过程中在垂直方向的变形有相应增大，桥架的变形呈现对称分布。同时，此种工况下桥架的变形相对工况1 更大，对运行机构的影响程度更加明显，结果体现在侧向力曲线上使之波动更大。图8 为桥架应力云图，可以看到此种工况下车体所受应力分布也更均匀。图8 稳定状态下的应力云图3）整机定位误差分析将每种工况下产生水平轮侧向力的弹簧压缩量与桥架变形引起的运行误差共同作用导致的小车质心位移列于表5 中。由表5 可知，小车质心位移的主要原因是水平轮弹簧的压缩，且在工况1 下小车质心位移更大，也即整机的运行误差更大，可达到2 mm。满足设计要求。为了验证仿真结果的可信性，对水平轮侧向力这一关键数据进行理论计算。根据起重机设计规范[8] 规定，一般情况下，环形轨道起重机侧向力的近似计算式为式中：ΣP 为起重机发生侧向力一侧经常出现最不利的轮压之和，与小车位置有关；λ 为水平侧向力系数；L 为起重机跨距；B 为起重机基距。将核环吊相关参数带入公式（6）求得理论侧向力值：P S ＝ 132.2 kN，这是在最不利情况下，侧向力可能达到的最大值，在实际工作中得到的力值应小于该计算值。经过力合成计算得到工况1 中仿真得到的侧向力合力为99 kN，工况2 中侧向力合力为41 kN，均小于理论计算值，所以仿真结果可信。3 结论1）在实际工况下运行，整机的最大水平运行误差可达2.8 mm，方向与小车在桥架上的位置有关。2）运行过程中，通常由两组水平轮与轨道接触，接触组由整体的质心偏向决定。3）当小车位于桥架极限位置时，启动大车，桥架会发生扭曲，此时产生运行侧向力最大，导致与轨道接触的两组水平轮侧向力不同；位于桥架之上的小车轨道也会发生扭转，此时如果小车也一起运行，会大大增加啃轨的风险。4）当小车位于桥架中间位置时，启动大车，产生的运行侧向力会减小很多，桥架扭曲也会减小。鉴于以上结论，在核环吊工作过程中应尽量采用大小车分别启动的方式，且大车启动时小车应在靠近桥架中间的位置，这样可以减小水平轮侧向力，进而减小车体在水平面内的整体偏斜，对于核环吊最后的定位精度有显著提高。参考文献[1] 曹旭阳，宋轶，齐朝晖，等. 三代核环吊吊钩组升降直线度偏差研究[J]. 大连理工大学学报，2013，53(1)：51-57.[2] 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