码头起重机的瞬态分析外文翻译资料

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多体动力学仿真与分析

机械工程的发展

2016年，卷. 8（9）1-11

作者（年代）2016

DOI: 10.1177/1687814016670803

aime.sagepub.com10.1177/1687814016670803

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码头起重机的瞬态分析

吊具和升降机构

Arunas Andziulis¹ , Tomas Eglynas^1，2 , Marijonas Bogdevicius² , Mindaugas

Jusis¹ and Audrius Senulis¹

^文摘

^{如今，集装箱运输在多式联运码头已超载。码头起重机及其控制系统必须妥善准备以便快速装载货物。由于减少了运输时间，先进的控制系统可以提高集装箱装载效率。但是，更快的运输要求更高的安全性.在本文中，作者通过分析更先进的码头起重机数学模型，对集装箱吊具和起吊机构进行了多体动力学仿真。在模型仿真过程中，采集和分析了动力系统的小车运动和货物摆角瞬态响应。这项研究的主要目标是确定瞬态过程中的系统行为。仿真结果表明，在所有调查的案例中，垂直吊具行程启动引起的瞬态会影响整个起重机系统。此外，柔性电缆的影响会导致货物和往复小车位移的额外振荡。集装箱吊具和升降机构的模拟将有助于实时检测码头起重机的运动偏差。}

^关键字

^{多体动力学，瞬态，仿真，数学建模，码头起重机。}

^{收到日期:2016年7月1日;接受:2016年8月30日}

^{学术编辑:Crinela Pislaru}

^总体介绍

^{货物运输过程的风险和起重机限制的影响}

^{每年，集装箱装运量增加，集装箱码头装载量增加。 由于这种情况，终端必须使用相同的运输设备来装载更多的集装箱。 货物装载的最重要的方面之一是操作安全性，其可以在超载终端中减少。为确保集装箱在运输过程中的安全，必须确保码头起重机控制的最佳运行策略。 此外，联合码头起重机的限制和限制必须进行适当的评估，对多体动力学和瞬态过程进行数值模拟。}

^{图2.多式联运码头起重机的缩放原型：（a）虚拟原型和（b）物理原型。}

^{过去几年中研究最多的货物损坏原因之一是集装箱摆动。集装箱和吊具摆动的主要原因是码头起重机和吊车之间的柔性钢缆连接。 由于容器重量，阵风和人为作用不同，容器会产生摆动。 因此，由于集装箱摆动减少过程，从A点到B点的集装箱装运需要更多的时间。 此外，由于起重机运动不稳定，如果发生与码头起重机结构的碰撞，容器可能会损坏。 由于安全风险较高，集装箱起重机作业大多在强风期间暂停。}

^{多体系统动力学的数值模拟能够应用局限性来更好地调查集装箱摇摆原因。 因此，对所有起重机应用一套通用的限制将不会有效。 大多数集装箱码头使用码头起重机，其规格取决于其装载需求。 码头起重机的一些主要技术限制是吊具容量，吊具提升速度，小车行驶速度，龙门行驶速度，行驶距离，吊臂提升时间，风速和电力供应。}

^{最近最活跃的研究领域是起重机动力学建模，以提高货物安全性。这种研究的主要目标是确定不同条件下的系统行为。 Ismail等人提出了三维（3D）架空起重机系统运动的动力学模型。拉格朗日方法用于计算。在系统仿真过程中，对动力系统的小车位置和摆角响应进行了采集和分析。这些结果适用于开发双摆式门式起重机系统的有效控制算法。加法尔等人。 介绍了非线性门式起重机系统模型的发展，并对影响输入电压，电缆长度，有效载荷质量和小车质量的因素进行了研究。仿真结果表明系统响应对参数的变化非常敏感。这是容器摆动和安全问题的主要原因。这项研究的结果对控制算法的发展非常有利}

^{大多数与动态控制和安全问题有关的模型只代表了问题的一方面，比如使用状态模拟器的起重机控制系统。例如，在Tomczyk等人的研究中，提出了在不同的风扰动下解决负荷运行和定位问题的动态模型。Chaet al. 13研究了浮式起重机和动力学模型的问题，以模拟重型货物的运动。}

^{Wu和Qian等人最近的研究成果，解决了集装箱的影响问题，提供了与控制算法设计相关的解决方案，以补偿或最小化集装箱的摆动。得出得解决方案给出了积极的结果，但并不是所有的容器影响因素都被估计出来。因此，通过进一步估计容器摇摆的原因，可以提高控制算法的效率。}

^{本文介绍了码头起重机集装箱吊具的动力模型和提升机构。提出的多体系统也可以作为解决多种问题的工具，如风扰动、交通轨迹和预测控制。基于实际码头起重机(图1)的机械结构，建立了码头起重机吊具和举升机构的多体数值模型。}

^{根据对其他研究的分析，提出了较为复杂和准确的模型，评估了其他因素，如电机驱动振动、8个柔性电缆系统、传动系统和滑轮。该模型用于对起重机集装箱吊具的动力学估算。它是利用制造的样机尺寸、电机性能、提升力等参数开发的。此外，作者还开发了起重机系统的运动方程，并定义了系统仿真的初始参数。在此基础上，提出了集装箱吊具动力学和提升机构的动态模型。}

^{图2.多式联运码头起重机的缩放原型：（a）虚拟原型和（b）物理原型。}

^{数学模型与动力学容器吊具瞬变}

^{在在改进算法的发展之前，建立了起重机吊具和真实码头起重机原型的新的数学模型(图2)。该模型将提供关于吊具状态的理论数据，振动及其来源的起重机吊具和提升机制进行评估并对起重机的新数学模型(图3)提供额外的信息。数学模型(图3)标记为“C”(电车与提升机制)和“D”(集装箱吊具)的原型是相同的(图2)。}

^{图3.码头吊具和升降机构的动态模型。}

^{大部分注意力都集中在电机振动和电缆张力上。由于起重机上的电缆很长，会出现额外的集装箱摆动。主要是由于天气条件和操作设备的错误算法造成的。对于这个问题，最好的解决方案是添加额外的传感器，比如一个加速计。该传感器的数据可用于集装箱的位置估计、检测和集装箱摆动的减少。这可能会增加运输安全系数。组合算法生成器和实时传感器数据将为存储在容器中的特定类型的货物提供最好的算法。此外，它还可以实时调整算法，如果天气状况发生变化或出现一些意外情况(控制不平衡，集装箱内货物移动，吊车因风而摆动等)。}

^{基于几个假设，建立了码头起重机吊具和举升机构的模型。首先，模型中的所有物体都被认为是不能变形的固体。假设和估计了所有电缆的物理和力学性质(例如，拉索时的拉索)，并将其数学模型包括在方程中。此外，还对电动马达的机电暂态过程和有轨电车轨道的缺陷进行了估计。}

^{为了更好地解决集装箱运输问题，采用新的数学模型对集装箱吊具和举升机构进行了分析，并对其进行评价。第一个电机的扭矩数学方程与齿轮，如下图所示。}

⁽¹⁾

^{这里，dei和C ei是电机参数，v ei0是角速度，U redei是电机减速的齿轮比。所分析的系统由两个质心的质点组成，分别为i和C j。它们与安装点i和j的电缆连接，电缆刚度和阻尼系数分别为k ij和c ij。这个缆索的拉力是F ij，力的变化量等于。}

⁽²⁾

^{这里，L ij是i和j之间的距离; dL ij是i和j之间的距离的变化。 L ij的距离等于}

⁽³⁾

^{在这里，r i和r j分别是i和j的向量，在共同坐标系统OXYZ中。}

⁽⁴⁾

^{在此，r Ci和r Cj是物体的质心的矢量，A（u i）和A（u j）是角旋转的矩阵（关于X轴），r ci，i是物体之间的距离质量中心C i和身体点i，而r cj，j是身体质心C j和身体点j之间的距离。 距离L ij的变化在这里}

⁽⁵⁾

^（6）

^{使用方程（5）和（6），机械功的变化可以计算为}

^（7）

^{这里，q r ci和q r cj是适用于物体i和j的广义力的向量; q r i和q r j是适用于物体i和j的广义力}

^（8）

^{（9）
电缆张力是}

^（10）

^{这里，H（L ij—L ij，0）是海维赛德函数，L ij，0是i和j之间的初始电缆长度。是电缆线速度。}

^（11）

^{这里，是向量的时间导数}

^（12）

^运动方程

^{第一机体运动方程系统（起重机无负载）}

^（13）

^（14）

^（15）

^{这里，m 1是第一个物体的质量，I 1是惯性第一个物体围绕X轴的时刻，m 1和I 1是质量和质量惯性的首次导数。第一个主体的瞬间（假定电缆在皮带轮上缠绕）。 a 3和a 4是几何参数。 Z 11和Z 12是第一主体滑轮的运动学激励; Z 11和Z 12是时间运动学激发的衍生物。 e 2和e 3是公共坐标系OXYZ中的Y轴和Z轴上的单位矢量。 k 31，k 41，c 31和c 41是刚度和小车定位系统的阻尼系数带。 k 10，k 20，c 10和c 20是小车定位系统的滑轮的刚度和阻尼系数。F 5，F 6，F 7和F 8是缆索张力。 M 51，M 61，M 71，M 81和M 1R是通过电缆5,6,7和8传送的第一机身的转矩.F 1R 2和F 1R 3是空气阻力（在Y轴上的投影）和Z轴）以及转矩q 51，q 61，q 71和q 81分别是使用等式（8）确定的电缆5,6,7和8的广义力的矢量。}

^{第二个机构的运动方程组}

^{（带容器的吊具）}

^（16）

^（17）

^（18）

^（19）

^{这里，F 2W是重力矢量（20）; f 2R和M R2是空气阻力和力矩的矢量，第二机构，分别。 q 52，q 62，q 72和q 82，电缆5,6,7和8的广义力的矢量，分别使用等式（8）计算。 M 52，M 62，M 72和M 82分别是通过电缆5,6,7和8传送的第一主体的扭矩。 M 2是使用计算的第二体的质量矩阵等式（19）。 M fr 21和M fr 22是滑车组得摩擦力矩。}

^（20）

^（21）

^{第三和第四运动方程组主体和第三个异步电机转矩（小车运动方程）}

^（22）

^（23）

^（24）

^{这里，k 31，k 34，c 31和c 34是刚度和阻尼皮带系数。 和是第三和第四个物体的}

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