1、I上海交通大学硕士学位论文核电站环吊大车运行动力学研究姓名：李波申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论导教师：吴天行200702012STUDY ON POLAR CRANE DYNAMICS OF NUCLEAR POWER PLANTABSTRACTTo develop nuclear power is a very important strategic measure in appeasing power demand, optimizing energy resource structure, insuring security of energy, acceleratimg sus
2、tained development of economy. Nuclear power is a kind of green energy resouece. Its technology is very mature and safe now. And it becomes a necessary component of our countys energy resource.With the construction of nuclear power station, its necessary facility, polar crane is laid on more attenti
3、on. What the nuclear power plants demand on the polar crane is heavyload, precise, and safe. So we demand that the crane should have more advanced characteristics of dynamics than before. In fact, the polar crane is not often used in nuclear power plant. But nuclear power enterprise found that the a
4、brasion between guidewheel and rail is grave, which is owing to big transverse force between them. And this will increase the maintenance cost for the enterprise, debase the safety of the crane, demage the life-span of the crane.Firstly, this paper constructed a dynamic model of polar crane accordin
5、g to its work characteristic and structure, former performance of test analysis and academic research. I constructed a mechanical model drawing of dynamic crane. Analysed and studied all sorts of ways of confirming calculational parameter. Studied several circumstances of the running polar crane and
6、 constructed dynamic 3differential equation on the basis of its dyndmic theory. A procedure was programmed with MATLAB to simulate real motion of the crane according to chooseing a way of computation and module style. Characteristic curve of every parameter of the polar crane was obtained utilizing
7、simulation computation procedure. The dynamic motion course of the crane cart was analysed in accelerating stage and smooth running stage in detail. Several parameters influence on dynamic motion was studied. At last, I compared these curves that have obtained in simulation test.KEYWORDS： crane， cra
8、ne on rail, cart, dynamic simulation4上海交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描等复 手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密V 。(请在以上方框内打“ V”）学位论文作者签名：李波日期：2007年1月20日导教师签名：吴天行日期：2007年1月20日上海交通大学硕士学位论文2上海交通大学
9、 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：李波日期：2007 年1月20日上海交通大学硕士学位论文3第一章绪论1.1前言人类在生产活动中，必然要进行物料搬运。一个现代化的大型钢铁联合企业或 者一个现代化的港口，每年通过的各种物料有几千吨乃至上亿吨。大量的物料搬运 在建筑工地、铁路枢纽和工厂企业中存在。在一个水电站间门启
10、闭或水轮发电机厂 房内，都有强大的起重机械。所以各个部门的生产要得到维持和发展，就离不开起重机械。在许多场合下，如 淬火起重机、安装起重机和炼钢厂装卸桥，它们不仅是进行装卸搬运工作，而且还 进行工艺操作，实际上还是工艺机械的一部分。其次，起重机械在现代化的生产过 程中不只是在生产过程中起辅助作用，而是成了国民经济的所有主要部门中合理组 织大批生产和流水作业的工艺过程基础 2。起重机械用来对物料作起重、运输、装卸和安装等作业的机械设备，它可以减轻 体力劳动、提高劳动生产率或在生产过程中进行某些特殊的工艺操作，实现机械化 和自动化。起重机械运送的物料可以是成件物品，也可以是散料或是液态的。升降机还
11、可以 进行人员的运送。起重机在搬运物料时，经历着上料、运送、卸料以及回到原处的过程。因此起重 机受的载荷是变化的，是一种间歇动作的机械。起重机一般由机械、金属结构、和 电气等三大部分组成，机械方面是指起升、运行、变幅和旋转等机构。1.2起重运输设备分类根据工作方式，其中运输设备可以分为两类 3:a) 不连续的起重运输机械；b) 连续的起重运输机械；不连续的起重运输机械以单个的工作循环工作，其通常在负载运动之后接着沿 返程方向作空载运动，而机械的、液力的或气力的连续的起重运输机械，则在一个 上海交通大学硕士学位论文4比较长的时间内不断地运输。大多数机械的连续起重运输机械和架空索道都具有无 端的传
12、动装置，并以负载分支和空载分支组成工作循环。其中不连续的起重运输机 械，运送件货居多，而连续的起重运输机械则主要运送散货。不连续的起重运输机 械一般可以作多种运动，而连续的起重运输机械大多只能作一种运动。在电力驱动 的不连续的起重运输机械中，为了进行各种独立的运动，规定要采用分别驱动装置， 即当某一驱动装置电源切断时，其相应的运动停止。大多数连续的起重运输机械通 常在一段时间内只有一套驱动装置工作，而且作长时间的持续运转。不连续的起重 运输机械可以在其所处场地的各个工作区域装载和卸载。连续的起重运输机械工作 比较经济，在自重相同的情况下，与相应的不连续的起重运输机械相比，其货物运 输量很大，而
13、它们所需要的电动机功率却较小，即能量消耗较低。这是因为它们不 象不连续的起重运输机械那样，有很大的固定质量需要运动。但是，连续的起重运 输机械不可能承担所有的起重运输任务，它们只是对于规定最小运输量是经济的。 大多数连续的起重运输机械都希望有简单的运输路线。对于特别重的货物只能使用 不连续的起重运输机械，只有少数连续的起重运输机械才设计成用于运送较重的货 物0.3.国内外发展现状.3.1我国起重机新技术的应用进展1、新材料的应用H型钢在大型起重机钢结构中的应用，T型钢在偏轨箱型主梁起重机上的应 用，MC铸型尼龙材料在起重机钢丝绳滑轮、伸缩臂导轨等部件中的应用，金属 基镶嵌型固体自润滑轴承在冶金
14、起重机.吊钩、盛钢桶耳柱及大型装卸桥俯仰臂 架回转铰点处的应用等等，都促成了起重机结构的改进和机械零部件的发展，降 低了制造成本，改善了使用性能 5。2、新装置的研制和新零部件的采用起重机新型硬齿面和中硬齿面减速器、立式减速器、二合一减速器、三环式 减速器；起重机新型径向棒销联轴器和轴向棒销联轴器；起重机用新型电力液压 上海交通大学硕士学位论文5块式制动器、电磁块式制动器；起重机用臂钳式制动器、钳式制动器；起重机新标 准吊钩、车轮、滑轮;起重机用电线滑车、滑接输电装置、安全滑触线；起重机用 液力偶合器、自动防风别轨器;MC铸型尼龙滑轮、齿轮、导向板等等的采用，都 为起重机产品的更新和系列改进提
15、供了切实的基础 6。3、产品设计的系列化在GB3811- 83中最重要的部分是起重机的工作级别划分，它包括机械的分 级和金属结构的分级，都和IS04301国际标准完全一致。其基木依据是Miner线 性累积损伤理论，即以载荷(应力）与受载(工作)次数某种相关的关系为基础决定 疲劳设计，形成一种对角线通用的关系。根据这种理论，在不同工作强度(载荷 利用率)和不同工作次数(利用等级）的组合中，有许多符合对角线通用原则的， 便可采用同样的结构或同样的机械部件 7，为用较少种类的机械零部件或结构断 面组配成多种规格、不同起重量、不同工作级别的起重机提供了理论基础。20 世纪70年代德国曼内斯曼德马克公司
16、在标准钢丝绳驱动类型起重机和通用起重 机中己有了具体采用，20世纪80年代我国起重机设计规范在对整机及部件设计 的计算上明确地做出了规定，在起重机减速器等部件设计及功率选用的说明中也 明确地例举出折算方法，大大地推广和强化了此设计思想。4、柔性部件的使用电力驱动起重机各机构的驱动，一般都带有作为驱动加速富裕力矩的一定量 的突加载荷方式的作用，多年来欧洲、前苏联和我国在起重机设计中都采用这种 启动理论。自从在起重机的大车、小车运行和旋转等机构中加入了柔性部件(如 液力偶合器），使这种情况立即得到根本改善 8。不仅避免了电动机和机构的过 载、反向变向的冲击，就连正常启动的惯性力也变得极其微小，启动
17、也极为平稳 了。近几年来，在我国起重机设计理论中提出的这种带液力偶合器的起重机非位 能载荷机构的电动机选择、启制动时间计算、相应的偶合器的参数设计，如偶合 器工作圆直径的确定、充油量的选择、联合工作特性的建立，以及在采用液力偶上海交通大学硕士学位论文6合器后机构和结构的动载荷计算及其启、制动过程的动态设计等，在理论推绎和 实测结果分析相结合的基础上，都获得了很大的发展。以起重机设计而论，这对 过去基于刚体动力学推演而得的计算体系，是一个重要的补充 9。5、传动和控制系统设计的标准化为贯彻新的通用桥式起重机国家标准，对于工作级别在M5以上的起重机起 升机构，货物在下降制动前进行电气调速的设计己进
18、入系列贯标设计中；为改善 电动起重机运行性能，在集装箱起重机中采用地面无线遥控或地面与司机室两处 控制的方式；此外，采用激光防碰撞装置和非接触感应式行程开关，装设故障 诊断及故障自动显示等装置的通用及专用起重机都相继出现。6、结构优化设计手段的应用近几年，一些高等院校在起重机优化设计和推广现代设计方法方而做了许多 有成效的工作，如对门式起重机进行了按静强度、静刚度、动刚度等多项控制指 标的综合分析优化设计，从单机优化到系列优化设计理论方而的开拓和探索都己 进入实用阶段。我国起重机新技术应用很多，取得的成绩也相当大，但仍需做大 量的推广工作，特别是与国外发展水平的差距还很大，我们必须了解世界起重
19、机 的发展趋势，引进国外先进技术，提高我国起重机的质量 ”。.3.2国外起重机的发展动向1、设计、制作的计算机化、自动化近年来，随着电子计算机的广泛应用，许多国外起重机制造商从应用计算机 辅助设计系统，提高到应用计算机进行起重机的模块化设计.根据市场调查预测 的统计数字和积累的资料、图表、图线规律，在严密的科学理论指导下，拟定起 重机结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元.起重机采用模块单元化 设计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业的技术、生产和 管理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度都将大大加快.对起重机的改 进，只需针对几个需要修改的模块；设计新的起重机只需选
20、用不同的模块重新进 行组合；提高了通用化程度，可使单件小批量的产品改换成相对批量的模块生产。上海交通大学硕士学位论文7亦能以较少的模块形式.组合成不同功能和不同规格的起重机，满足市场的需求， 增强竞争能力.德马克公司最近开发了一种标准车轮箱模块系列，上面有多组联 接孔，选用不同型号的驱动单元，可组装成台车，可与金属构件组合后用作桥式、 门式起重机或其它轨行式起重运输机械.其车轮有多种踏面形式可供选用，由于 不受轮距的限制，组合更加灵活，用途更加广泛.据资料介绍，德马克公司的葫 声双梁起重机系列改用模块化设计后，比单件的设计其设计费用下降了 12%，自 重轻，与国内产品相比较，起重量32t、跨度
21、25m,国内双梁起重机自重为46.4t， 电动葫声桥式起重机自重为28.3t，而德马克电动葫声桥式起重机的自重只有 18.5t，比国内产品分别轻60%和35% 12. 2、起重机控制元件的革新与应用起重机的定位精度是对起重机的重要要求，多数采用转角码盘、齿轮链、激 光头与钢板孔带来保证.定位精度通常为士 3 mm,高于1 mm的精度需外加定位系 统,在起重机起升速度、制动器方面的改进，则使用低速运行的起重机吊钩精确 定位，起重机的刹车系统也应用微处理进行控制和监视工作.遥控系统用于桥式起重机及其它移动式起重运输机械，这种系统包括操作者 携带的控制器和安装在起重机上的接收器，控制器具有电磁福射发
22、生器，接收器 与作用在起重机传动装置操纵机构上的转换部分相连。遥控器的应用，不仅节 省人力，提高工作效率，而且使操作者的作业条件得到改善.起重机的距离检测防撞装置，采用无线电信号型防撞装置，防撞装置由三相 系统组成，用来监控起重机前端行驶距离，一般首先发出信号警告，接着将大车 车速减小到50%,最后切断电机电源，将大车制动. 3、新材料、新工艺的应用由于钢铁工业新技术的应用，钢材质量得以提高，如瑞典的SSAB薄钢板公 司，其生产的DOMEX系列高强度及超高强度钢材 6，在设计起重机主梁强度时， 可使用较高的许用应力。而不需要很高的安全系数，以便减少起重机材料用量(这 并不意味着不安全），从而降
23、低设备的重量和价格,因起重机重量的减小，可用功 率较小的驱动装置启动，因此而减少电力，节省开支.国外电动葫声在新材料应上海交通大学硕士学位论文8用方面，车轮采用空气硬化镍铬钥合金钢制造，可解决车轮的磨损和使用寿命的 问题，据资料介绍，普通钢材车轮的寿命约18个月，采用这种新材料制造的车 轮，其使用寿命可达5年.近年来。聚合材料在电葫声上用作制造运行机构的齿 轮、滑轮和导绳器等.在机加工方面，尽量采用少切削的精密铸件.尤其是招合金铸件占多；加工设 备大量采用高精、高效的加工中心，数控自动机床等，既保证加工质量，又提高 了生产率、降低了成本 14；同时在工艺线上，使用机械来代替人工操作.如辉接用
24、的机械手和配用机械手等.国外起重机厂商为了能迅速制造和装配出品种多样化的产品来，要求企业之 间密切联系和协调，企业走向专业化、标准化和系列化.因为使用标准件设备能 迅速组合和安装，减少标准件外组合部分的加工制造就显得特别重要.组合式构 件的使用比生产非标准件起重机来，有助于减少成本.1.4课题来源研究意义与背景1.4.1课题来源本课题属企业委托纵向课题，是“核电站环吊优化设计”的子项目。主要依托上 海起重运输设备厂提供支持，并结合秦山核电站二期使用的环吊在运用中出现的问 题，为设计制造岭澳二期核电站环吊提供技术支持。1.4.2意义与背景发展核电是我国满足电力需求、优化能源结构、保障能源安全，促
25、进经济持续 发展的重大战略举措。核电作为一种清洁能源，技术已经成熟，安全可靠性得到了 实践验证，供应能力较强，已成为国家能源电力战略的重要组成部分。加快核电发 展，发挥核电在电力供应中的更大作用，是我国电力发展的必然选择，是满足经济 和社会发展的重要保障。我国现阶段电源结构中，火电比重过大。这种格局不仅受 到资源储量和开发的制约，而且受到环境容量和运输能力的严重限制。我国一次能 源集中在北方和西部，而经济发达、人口稠密的沿海地区却缺乏常规能源。加快核 上海交通大学硕士学位论文9电发展，构造“北煤、西水、东南核”的国家能源新格局，有利于优化能源结构， 缓解运输压力，对提高能源效率和电网运行的安全
26、可靠性，保障国家能源安全乃至 经济安全，具有重要战略意义。发展核电，对保障沿海发达地区的经济快速增长， 具有突出的作用。发展核电是减少环境污染，实现经济和生态环境协调发展的有效 途径。核科学技术是现代科学技术的重要组成部分，是国家科技实力的重要标志。 核科技工业是国防建设的重要基石，是国家安全的重要保障，核战略是无可替代的 最重要的国家战略。世界核电发展已经走过半个世纪的历程。截止2004年6月，全 世界共有442台核电机组在运行，装机容量达到3.63亿千瓦。核电占全世界发电总 量已经连续17年稳定在16%左右。2003年有16个国家的核电比例在25%以上。核电 在发达国家的电力供应中的比例，
27、法国为77.6%，德国28.1%，日本为25%，英国23.7%， 美国20%，俄罗斯为16.5% 15。其中核电站的必用设备-环行轨道桥式起重机（环吊）的设计制造技术在国外已 经相当成熟，比如：法国、日本、西班牙，美国等国家都是佼佼者。我国在这方面 基本属于空白，国内起重类企业只有大连起重机厂生产过部分零部件，但还没有整 体设计能力，一些科研院所的学者虽然也有相关论述，但理论方面叙述极少。所以 本课题一方面旨在提高本校整体科研实力，提高重大装备机械的研发能力；另一方 面也希望通过本文的研究，对起重机的研发起到抛砖引玉的作用。1.4.3主要研究内容1) 对核电站用环吊作简要的介绍；2) 对环吊受
28、力分析，建立动力学模型；3) 计算环吊参数；4) 编制仿真计算程序；5) 对某些参数进行优化：在现代设计方法中，系统动态仿真已成为一种必不可少的重要手段。它为设计 与分析提供必要数据创造条件，这正是计算机辅助设计的优越性之处。起重机是一 上海交通大学硕士学位论文10种间歇重复、频繁起制动的工作机械，这样复杂的系统又在复杂的工况下工作，故 在实际设计与分析中难以用一个简单的数学模型来描述它的动态行为，况且它的运 动参数与载荷往往还具有强烈的随机性，更使问题的求解难以用一个简单的数学表 达式来描述；对于地震条件下起重机的动态行为更需要借助于动态仿真；此外，对 起重机工作强度与疲劳寿命的估计时，只有
29、动态仿真才能对它进行更切实际的分析。 仿真时，所有的参数都可以大幅度调整，类似于动态实验，具有巨大的优越性。研究起重机运行机构的动态响应是深入分析其他机构和整机动态特性的基础， 其将为后续的设计优化工作提供新的设计思想与设计手段，并为探讨其他随机性较 强的系统或过程的动态仿真提供新的方法。统计动力学、疲劳设计和可靠性设计计算等理论的应用发展也对起重机动力学 的研究提出了新要求，它们要求了解各机构及其部件振动运动的全过程，需要知道 动载荷在整个动态过程中的变化情况，这是用以往的动载系数或简化方法所不能解 决的，必须依靠动态仿真才能进行切合实际的精确分析和研究。1.5本章小结本章首先叙述了起重机的
30、一般用途及概念，介绍了国内外起重机械发展的现状。 结合国家大力发展核电事业阐明了本课题的重要性，简单扼要的介绍了课题研究的 主要内容。第二章环吊动力学建模分析2.1环行吊车的使用环境介绍环行吊车的特点是起重机桥架车轮沿着圆形轨道运行。核电站的环行吊车被架 设在核岛安全壳内，位于压力壳、蒸发器等的上方。在核电站正常运行时，为了更 换燃料，要用环行吊车起吊压力壳的顶盖及压紧组件。此时如果环行吊车起升机构 发生事故，起吊物体跌落，能引起放射性释放的危险，导致核电站的重大事故，因 此把环行吊车在此情况下搬运的载荷称为临界载荷 17。上海交通大学硕士学位论文11核电站环行吊车是反应堆大厅内的主要起重设备
31、。在核电站设备安装和检修时，大厅内的主要设备，如反应堆压力壳、堆内构件、蒸发器等都是用环行吊车搬运的。在这些设备当中，蒸发器及压力壳的重量最大。而其他设备或部件的重量都不大。大概只是压力壳、蒸发器重量的一半。压力壳是最重要的部件，压力壳损坏就意味着核电站报废，但压力壳只是在安装时需用环行吊车搬运一次。蒸发器通常允许调 换1-2次(有的国家不允许调换)，可见环行吊车起吊这两种大部件的次数极少。在核 电站正常运行时，环行吊车不工作，但在核电站停堆更换燃料时，要用环行吊车吊 运压力壳顶盖、压紧组件、吊篮等等部件，它们的重量均被称为临界载荷 18。当核 电站处于严重事故状态，环行吊车暂不工作。但此时气
32、压超过大气压几倍，环境温 度也高。在设计起重机时要考虑这些因素的影响。核电站厂房概况、环行吊车在反 应堆大厅内的布置见图2-1。2.2环吊的主要参数1.常规岛厂房2.反应堆大厅3.环形吊车4.蒸发器5。压力壳 图2-1核电站环行吊车布置图 Fig2-1 Layout of polar crane上海交通大学硕士学位论文12环行吊车的主要参数包括:起重量、桥架环行速度、跨度和起升高度。 2.2.1环吊起重量环行吊车的起重量应主要满足核电站运行及检修过程中起吊临界载荷及最大载 荷的需要。但有一些环行吊车在决定起重量时却不考虑最大载荷，很少的最大载荷 吊重问题。为此对起重量选择已有二种方式：单主钩既
33、可起吊临界载荷满足它的安 全性要求，又可起吊最大载荷满足它的大起重量要求。用户在核电站设备安装、检 修、停堆换料时均十分方便。两台主小车的主钩可分别单独起吊临界载荷，对最 大载荷采用双主钩通过扁担吊具起吊。它由一台217吨主小车及一台179吨小车组 成。主钩单独使用时，可以起吊217吨的临界载荷。其中一台为工作小车，另一台 为备用小车。双主钩通过扁担吊具联合使用时，可以起吊396吨的最大载荷。在桥 架端梁外面还设有电动葫声一台，有利于设备的安装及检修。在桥架刚度和强度满 足使用要求，而起重机自重又不太大的情况下比较适宜。由于采用双小车，使用灵 活，同时起吊临界载荷时，可确保安全可靠 1920。
34、2.2.2桥架环行速度桥架环行速度也按起重机设计规范最低速度选用。环行吊车并不经常用，对生 产率无高要求。但要求运行平稳，对安全性要求很高；可采用无级或有级调速，选用 两挡速度20米/分钟或10米/分钟。在核电站停堆换料期间，要求环行吊车在某几个 位置可以精确定位。在用环行吊车吊装或放下压力壳顶盖时，定位精度要求很高。 采用调速系统可使运行平稳。2.2.3跨度和起升高度跨度按反应堆大厅总体布置决定环行吊车的跨度 8，环行吊车的跨度是35.4米。 起升高度；环吊桥架距离地面42米，如果起升高度增大，在倍率不变的情况下，起 升机构的卷筒要加长，小车架尺寸也要放大，故应尽量按低扬高选取。2.3建模的
35、基本思想上海交通大学硕士学位论文13在本课题中，若根据实际情况建立物理模型进行试验，系统的开发成本将不可 估量，这显然是不可取的。借助数学模型与计算机仿真技术，我们可以在开发的初 期节省大量的成本，在确定系统的关键参数后，仅对仿真结果合乎要求的设计方案 进行实验验证，这样，即可大大缩短开发的周期，降低开发的成本。系统模型是对系统的特性与变化规律地一种定量抽象，是人们用以认识事物的一 种手段或工具。建立系统模型就是以一定的理论为依据，把系统的行为概括为数学 的函数关系。一般包括以下内容 21:2) 确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的实体、属性与活动。3) 测取、计算有关的模型的数据参
36、数。4) 运用适当的理论建立系统的数学描述，即数学模型。在这里，由于系统的数值仿真是以其数学模型为前提，所以对于仿真结果的可靠 性来讲，系统的建模至关重要的，它在很大程度上决定了数值仿真的成败。一般情图2-2数学建模过程 Fig. 2-2 The Flow of mathematic modeling况下，数学建模的大体过程如图2-2所示模型准备：要了解问题的实际背景、明确建立模型的目的，掌握对象的各种信 息如统计数据等，弄清实际对象的特征，总之，是要做好建立模型的准备工作。在 本课题中，环吊运动问题是比较复杂的，涉及到机械、电气等相关方面的知识。前 期的主要工作是查阅大量文献资料，请教这方面
37、的专家，以便透彻地了解问题。模型准备 模型假设W模型建立r模型检验 模型分析 模型求解上海交通大学硕士学位论文14模型假设：根据实际对象的特性和建模的目的，对问题进行必要的简化，并且用 精确的语言做出假设，是建立模型的第二步，也可以说是关键的一步。环吊工作状 态下，其性能是受很多方面因素影响的，试图把复杂的实际现象的各个因素都考虑 进去，将使下一步的工作很难继续下去。所以，要区别对待各个影响因素，分清主 次，抛弃次要因素，使问题简化 22。模型建立：根据所做的假设，利用适当的数学工具，建立各个量之间的等式或不 等式关系，列出表格，画出图形或确定其它数学结构，是建立数学模型的第三步。 对环吊系统
38、来说，就是抓住其工作的基本原理，建立各个关键参数之间的微分方程， 重点研究工作过程中各运动部件加速度、速度、位移等参数的变化情况。模型求解：对以上建立的模型进行数学上的求解，包括解方程、输出图形、证明 定理以及逻辑运算等，会用到传统的和近代的数学方法，特别是计算机技术。在本上海交通大学硕士学位论文15设计中，主要是借助MATLAB软件来进行环吊工作过程的仿真 23。模型分析：对上边求得的模型结果进行数学上的分析。根据问题的性质，分析各 变量之间的依赖关系或稳定性态。考察所得的数学解与实际问题是否相符。模型检验：这一步是把模型分析的结果“翻译”回到实际对象中，用实际现象、 数据等检验模型的合理性
39、和适用性。如果检验结果不符合或部分不符合实际情况， 那么我们必须回到建模之初，对模型假设进行修改、补充，重新建模，即再按上述 步骤做到模型检验这一步。一个成功的模型往往是多次循环的结果。模型应用：对环吊数学模型的结果进行多次仿真，经试验验均与实际情况符合后， 将模型进行推广使用。2.4环吊运行机构简化在对机构简化的过程中，我们抓住主要因素，忽略次要因素。只是注意分析主 要的质量如：桥体支撑、轨道、运行大车、吊重小车、重物等，以及它们各自的运 动方式，实践证明这并不影响处理问题的正确性 2425。简化的环吊机构如图2-3所示。1-桥体支撑2-运行大车 3-吊重小车 4-轨道5-重物上海交通大学硕
40、士学位论文16导向轮机构起重机大车在圆形轨道上运行，由于起吊点不固定，因此运行小车在大车上的 位置也不固定，对整个大车运行系统来说，就会产生质心和旋转中心不重合的情况， 大车势必产生运行偏移，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 26。如果偏移位移过大会出现安全事故，为了限制这种偏移，一般的起重机 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。核电站用的起重机驱动轮现在都采用无 缘车轮加导向轮的结构，简化的结构模型如图2-4所示；此处
41、假定导向轮与一弹簧相 连。该弹簧的刚度综合了桥架结构、轨道梁、轴承间隙及水平导向轮等部件在水平 方向的弹性变形 27。导向轮和轨道间是滚动摩擦，那么在侧向力相同的情况下，使 轮轨间的摩擦力减小。2.Fig2-4 Guidewheel machine1-轨道2-大车驱动轮3-导向轮4-弹簧 图2-4导向轮机构上海交通大学硕士学位论文172.4.2环吊模型计算的基本假设条件由以上简图可以看出，运行机构比较复杂，而且运行工况不止一种。产生动载荷 的因素很多，所以在进行动载性能研究、建立数学模型时，要进行必要的简化，略 去一些次要因素 28。根据实际情况，作出如下的假设：(1) 桥体支撑、大车和轨道安
42、装都是刚性的。(2) 轨道处于同一平面内无倾斜。(3) 四个驱动轮的电机完全同步，传动机构完全相同。(4) 不计起重钢丝绳的弹性变化和挠性。(5) 运行机构的运行静阻力功率为定值，即与运行速度无关。(6) 桥架和桥架上所有的设备（包括小车、大车运行设备，不包括吊重） 固结在一起，简化成一个矩形刚体。假定矩形刚体对小车运行轨道中 心线是对称的。矩形刚体由质量M、对质心C 的转动惯 量J C、小车 质心位置Xe 和 Y。、以及其他几何参数来表示。(7) 桥架与轨道梁水平方向的结构弹性全部简化成水平导向轮与轨道梁 之间水平方向的接触弹性，即假设导向轮与轨道梁之间通过一个受压 弹簧相互作用。该弹簧的刚
43、度综合了桥架结构、轨道梁、水平导向轮 及轴承等部件在水平方向的弹性变形(8) 系统在运行时会受到如下几个广义力作用：轮轨水平接触力、轮轨 间正压力；矩形大车四个顶点的弹簧力；驱动电机的额定扭距；钢丝 绳的拉力；(9) 吊重相对大车来说作小角度摆动。2.5数学模型用环吊吊运货物一般分为如下几个过程：1、空载环吊运行至货物所在位置，并将货物吊起至一定的高度- Tsin於 sin Y = 0; HC _yg -sm+(- g )2上海交通大学硕士学位论文20+(少 _ ygECg (X-Xg)2 + (y-ECXL - g (Xg - X) = 0j&L _ g(yg _ y) = 0图2-5重物摆
44、模型Fig2-5 Weight pendulum modellingEH EC (2-5)cos(2-6)sin 於 : L(2-7)(2-8)上海交通大学硕士学位论文3因此，可写出钢丝绳对大车产生的作用力:上海交通大学硕士学位论文22(力的方向均设定沿坐标轴正向） 作用反力T对质 心C 点产生的力矩为 300:T = TyL3cosd TL3S1ne mg(y _yg)丄 3cos没 _ mg(X_Xg)丄 3sin没 ( )g = L L “ L L 2.5.2环吊大车系统此处将桥架（大车）简化成一个矩形框架，将桥架上的所有设备都固结到矩形 框架上，将小车也固结到框架上。即将模型转化成一个
45、矩形在一个理想圆上的转动， 当大车的运转不发生偏斜时，矩形的四个顶点始终在圆上。若运行产生偏斜，则矩 形四个顶点的位置就会产生变化。大车成为二维三自由度系统 31。 矩形大车运行到任意一位置的状态如图2-7所示，刚体转动角度为e。Xg(2-9) (2-10)T X = mgT = mgLy _ y.L图2-6 钢丝绳拉力 Fig2-6 Steel rope pulling force上海交通大学硕士学位论文231、变位后的几何坐标；矩形4个顶点的坐标为Xj = xc + Lj cos(没 + a) y： = yc + sin(没 + a) x2 = xc + L2 cos(没 + n-P)y2
46、 = yc + sin(没+ n_P) x3 = xc + L2 cos(没 + n + P) y3 = yc + sin(没 + n + P) x4 = xc + L1 cos(-a) y4 = yc +sin(没 _a)2、导向轮与轨道的弹簧力分析若大车严格按照环行轨道运动，轨道与导向轮接触但弹簧无形变，如果运动偏离轨 道则弹簧受力，但弹簧只受压不受拉，并且弹簧力始终指向环行轨道的中心 32。力 的大小计算如下：(2-12)图2-7大车模型 Fig 2-7 Cart modelling上海交通大学硕士学位论文24上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文3k(di - r), d -
47、 r 0 0, d, - r 0(2-13)fi上海交通大学硕士学位论文25其中=拓各个弹簧力对大车质心C的力矩2, 3, 4) (2-14)fiX - fi f -_ f力y J idi yi2, 3, 4) (2-15)(表2-1力矩(Xi - Xc)方向判定逻辑fry = + fy =-Xi - Xc = + + -Xi Xc - +表2 -2 fX (y - yc )方向判定逻辑fiX = + Ix =-y.- yc= + - +y.- yc =- + -所以大车四个顶点的弹簧力对大车产生的力矩为： T f - fy (Xi - Xc) - fiX(y. - yc) ； i = 1,
48、2, 3, 4 (2-16)3、轮轨正压力计算起重机的轮压是驱动轮对轨道的压力，也是起重机的重要参数。根据起重机 的结构不同，轮压的分配有静定与超静定之分。一般三支点式的起重机，轮压的 分配是静定的，这时的轮压或支点压力，只依靠载荷的大小与位置以及起重机结 构的几何尺寸而定。但是一般的起重机都采用四支点式的结构，本课题中的环吊 就是这种形式。这种布置具有良好的对称性，工艺性好，并且稳定性高。四支点 结构的轮压分配是超静定的，轮压的分配和结构及基础的刚度、结构的制造精度 和轨道的平度有关。根据前面的假设，刚体时刻和轨道四点接触，轮轨间由于正 压力作用的变形很小，近似认为轨道水平，刚体运动无倾斜，可以采用近似静定 的方法来求解 33。C点为刚体质心，Cg点为小车质心位置，CO的长度设为e ，CCg 的长度为L 3,上海交通大学硕士学位论文3
