单轨吊技术改造方案.docx

单轨吊技术改造方案1问题描述单轨吊在实际使用过程中有时会出现起吊梁下方第一根轨道在水平方向折弯或者该段轨道与其下方轨道连接处断开的现象，如图1所示。经调查，此种情况多出现在轨道坡度超过20°,且单轨吊运载较重物品时出现。图1轨道失效实拍图2问题溯源2.1 失效原因分析单轨吊在水平轨道行车时，前端驱动部提供拉力，后端驱动部提供推力。单轨吊上行时,驱动力方向与前进方向一致，前端在高处，此处驱动部提供拉力，后端在低处，此处驱动部提供推力。单轨吊下行时，驱动力方向与前进方向相反，前端在低处，此处驱动部提供推力，后端在高处，此处驱动部提供拉力。由于驱动部采用串联布置,拉杆应力轨Ii应力所以单轨吊在有坡度轨道上运行时，起吊梁上方拉杆受拉应力，大小向起吊梁方向累加，轨道与轨道之间受压应力，大小向远离单轨吊方向累加。起吊梁下方拉杆受压应力，大小向起吊梁方向累加，轨道受压应力，大小向远离起吊梁方向累加，如图2所示。5f.5f-012345678驱动部次序（单位：个）图2应力累加示意图单轨吊在水平轨道行车时，驱动部仅仅需要克服单轨吊与轨道之间的滚动摩擦，所以驱动力很小，完全在轨道安全范围之内。当单轨吊在有坡度轨道上运行时，驱动部不仅需要克服行车过程中的滚动摩擦，还要克服单轨吊重力在轨道方向的分力，所需的驱动力就很大°同时，轨道安装过程中会存在安装误差，使得轨道与轨道不平行。俯视效果如图3所示，此时轨道在沿轨道方向存在一个小角度偏折误差，使得拉杆与轨道之间也不再平行，因此拉杆就会通过驱动部对轨道产生一个侧向力。该侧向力与下方轨道传递过来的推力就会对轨道产生多个扭矩，使单轨吊运行时轨道左右摇摆，当驱动力很大时，甚至会造成轨道失效。2.2 轨道受力分析按照起吊梁前后各布置5台驱动部分析，限于单轨吊设备和轨道长度，在同一时间，一根轨道上最多有2台驱动部。按照一根轨道上驱动部数量多少，将轨道在垂直于腹板方向所受到的力学模型分成如图4和图5两种情况所示。2.2.1 仅1台驱动部图4轨道上有1台驱动部时受力图由图4轨道在垂直于腹板方向力学平衡，可得：.Mi=kfl+(a+2)fc+efsnf(lS)=O/=1<XFi=kf+(a+2)fef-nf-hf=0旧式中I单根轨道长度，mm.S吊耳到轨道近端距离，mm；/单个驱动部所需驱动力在垂直于腹板方向的力，kN；nf、ef-吊耳对轨道在垂直于腹板方向的分力，kN；kf.hf-相邻轨道对该轨道在垂直于腹板方向的分力，kN；3+2»驱动部对轨道在垂直于腹板方向的分力，单kN。由式可得此时轨道挠度:K =J=IM+(+2)先3+03-w>(一s)33EI式中E轨道弹性模量，kNmm2;I轨道垂直于腹板方向截面惯性矩，mm4o2.2.2有2台驱动部由图5轨道在垂直于腹板方向力学平衡，可得:WMi=kfl+(+2)f(h+d)+efs-nf(lS)-CIfii=OZ=IFi=kf+(a-2)f+ef-nf-hf-af=0式中af-驱动部对轨道在垂直于腹板方向的分力，kN；d驱动部距离轨道末端距离，mm；b单根拉杆长度，mm。由式(3)可得此时轨道挠度：q_桃3+(+2)/S+d>+2促可Q5>afd'诟(4)2.3动力分配比计算根据沙尔夫公司某款单轨吊设备数据，以第一轨道为例，计算各个轨道在不同情况下的受力情况，找出最大挠度及位置，确定该型单轨吊驱动部动力分配比。已知该型号单轨吊最大满载时G=354270N,驱动部io个，单根轨道长度=3m,由于轨道角度误差导致的力传递系数4=095,轨道之间最大偏角二l°,当起吊梁前后各布置五台驱动部，则单个驱动部在上坡倾角/=20。的轨道上运行需要克服的力为:轨道安装时，各个轨道偏折方向不一定，多根连续轨道可能都向同一边偏折，也可能左右交替偏折，同时第一轨道上驱动部数量也有两种情况，据此，将第一轨道在垂直于腹板方向受力情况分成4种情况讨论。将连续两段轨道反向偏折，第一轨道上只有1台驱动部定为工况1;将连续两段轨道反向偏折，第一轨道上有2台驱动部定为工况2；将连续两段轨道同向偏折，第一轨道上只有1台驱动部定为工况3；将连续两段轨道同向偏折，第一轨道上有2台驱动部定为工况4o2.3.1 工况1工况1时连续两段轨道反向偏折，第一轨道上只有1台驱动部,轨道垂直于腹板方向力学模型如图6所示，此时起吊梁处轨道对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为0;第二轨道对第一轨道在垂直于腹板方向的分力约等于/,方向向下；驱动部对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为57,方向向上。图6工况1时轨道受力图n根据式(4)可知与C成正相关，0max=2.04m,s=25Omm。yj7.7mm将数据代入式、(2),求得：=368,e=-0.32,Io因此，此种工况下第一轨道应力在安全许可范围内，最大挠度超出安全许可范围。2.3.2 工况2工况2时连续两段轨道反向偏折，第一轨道上有2台驱动部，轨道在垂直于腹板方向力学模型如图7所示。此时起吊梁处轨道对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为0；第二轨道对第一轨道在垂直于腹板方向的分力约等于妙方向向下；第一台驱动部对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为57,方向向上；第二台驱动部对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为37,方向向下。图7工况2时轨道受力图nZyi根据式(4)可知日'与d成负相关，"mm=。、=2.04moZM10.5mm将数据代入式(3)、(4),求得：=4.08,e=4.08,Mo因此，此种工况下第一轨道应力在安全许可范围内，最大挠度超出安全许可范围。2.3.3 工况3工况3时连续两段轨道同向偏折，第一轨道上只有一台驱动部,轨道在垂直于腹板方向力学模型如图8所示。此时起吊梁处轨道对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为0;第二轨道对第一轨道在垂直于腹板方向的分力约等于方方向向上；驱动部对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为5方方向向上。图8工况3时轨道受力图将数据代入式、(2),求得：=3.48,e=-2.52,>j,7.3608mmTO因此，此种工况下第一轨道应力在安全许可范围内，最大挠度超出安全许可范围。2.3.4 工况4工况4时连续两段轨道同向偏折，第一轨道上有2台驱动部，轨道在垂直于腹板方向力学模型如图9所示。此时起吊梁处轨道对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为0;第二轨道对第一轨道在垂直于腹板方向的分力约等于多方向向上；第一台驱动部对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为57,方向向上；第二台驱动部对第一轨道在垂直于腹板方向的分力为37,方向向上。图9工况4时轨道受力图Vy;7.5mm将数据代入式(3)、(4),求得：=3.08,e=-6.92,£o因此，此种工况下第一轨道应力在安全许可范围内，最大挠度超出安全许可范围。由第一轨道四种工况分析可知，第一轨道最大应力多出现在靠近起吊梁的驱动部所在位置，且都在安全许用范围内；最大挠度出现在轨道最右端，且均超出安全许用范围，最危险工况为连续两段轨道反向偏折，第一轨道上有2台驱动部时，此时第一轨道最大挠度超出安全许用范围最大。根据第一轨道四种工况计算方式，分别求出第二、三、四轨道在垂直于腹板方向力学模型数据如表2所示，此处b、C取最大值，d取最小值。表1轨道在垂直于腹板方向受力数据表轨道次序偏折方向驱动部ehkns/m数量ab/mc/md/m132.04-2.52-103.48().25同向第一232.040-6.92-203.080.25轨道132.04-0.32103.68().25反向232.0404.08204.080.25122.041.836-215.1640.25同向第二222.0404.56-315.440.25轨道122.041.164214.1640.25反向222.0404.464314.4640.251I2.041.452-325.548().25同向第三212.0404.152-425.8480.25轨道1I2.04-3.()48325.0480.25反向212.0404.848424.8480.251-12.043.384-546.616().25同向第四2O2.0403.768-536.2320.25轨道1-12.045.616545.616().25反向2O2.0405.232535.2320.25将表2数据分别带入式(2)、(4),计算出每种工况下的最大挠度。比较计算结果可知：轨道挠度最大时的工况为连续两段轨道反向偏折,第一轨道上有2台驱动部时。此时轨道最大应力出现在驱动部所在位置，最大值SmaX=27.92MPa；最大挠度在第一轨道最右端，最大值为y11三=l°491mm0将式(5)引入参数，表示起吊梁下方驱动部动力占驱动部总动力的比值，此时单个驱动部所需驱动力在垂直于腹板方向的分力为：(6)下Gsin/.f-Slna52联立式(1)、(2)、(6)计算出当二°3时y11三=6.0mm,此种工况下第一轨道最大应力出现在960mm位置，也就是第一台驱动部所在位置，最大值O三=697MPa；最大挠度在轨道最右端，x=6.0mm因此，此种工况下第一轨道应力和挠度均在安全许可范围内。即起吊梁前方驱动部动力占总动力的70%,起吊梁下方驱动部动力占总动力的30%,此时轨道应力及应变都在轨道安全范围之内。3具体方案1.1 方案一图10方案一示意图图中1轨道；2驱动部；3驱动部短拉杆；4框型拉杆；5驱动部长拉杆；6承载小车；7起吊梁。该方案通过增加单轨吊驱动部驱动力传递路径的方式，减小了单个驱动部因轨道不平行对轨道产生的扭矩，增加了轨道的安全性。行车时驱动部的动力传递路径有4条。第一条路径：驱动部2.1一短拉杆3.1驱动部2.2一短拉杆3.2一驱动部2.3一框型拉杆4.1承载小车6.1一框型拉杆4.2一起吊梁7；第二条路径：驱动部2.4长拉杆5.1驱动部2.5一短拉杆3.3一起吊梁7；第三条路径：驱动部2.10短拉杆3.6驱动部2.9一短拉杆3.5一驱动部2.8一框型拉杆4.4承载小车6.2一框型拉杆4.3一起吊梁7；第四条路径：驱动部2.7长拉杆5.2驱动部2.6一短拉杆3.4一起吊梁7。1.2 方案二采用比例多路阀（PSL）对动力进行整体上的分配，即起吊梁前后均布置相同数量的驱动部，根据单轨吊总质量、轨道坡度和轨道转弯半径等工况，通过PSL对每个驱动部的动力进行分配。优点缺点：可以用于有上下坡混合的巷道；对于巷道不同坡度轨道具有较强适应性；动力再分配简单；无极控制，动力分配更细致、灵活；提高液压系统效率，减少发热。但该方案需要更改液压系统,短期内实施难度大。1.3 方案三采用驱动自适应液压系统，建立多驱动单元夹紧力及驱动速度的闭环控制模型，研究单轨吊机器人在上下坡及弯道转弯过程中的多驱动单元分布式驱动方式和动力优化配置，提出极端复杂工况下的多驱动单元高效协同驱动机制，实现驱动系统的自适应控制，提高系统的驱动效率和负载能力；针对多单元拖挂式重载单轨吊辅助运输机器人的复杂动力学行为，建立分布式多驱动、制动单元的机电液一体化动力学模型，开展机器人系统整机动力学分析，提出基于多物理场的系统动力学优化方法，确保重载机器人运载过程的稳定与安全性能。优点：适用范围广，满足不同工况需求，但该方案实施难度大,短期内难以完成。1.4 方案选取综合考虑成本、时间及改造难度，目前采用方案一，以结构改进为主，以最小的成本和改动，开展技术改造。4 .方案实施4.1 结构优化设计及计算方案一需要在原有单轨吊驱动部基础上做出一部分改进，修改部分包括：两台驱动部的车架部分，如图12,将其中一边与万向节的连接部分向下拉长；起吊梁与驱动部连接部分，如图13,在起吊梁两端各设计两个连接头，分别与四组驱动部连接。增加增加部分包括:两台承载小车和框型拉杆，如图14,图15o这些改进的形状尺寸需要根据单轨吊整车尺寸、驱动部具体尺寸进行设计。图13起吊梁图15框型拉杆4.2 增加结构的轻量化设计首先，分析单轨吊轨道系统的工况和性能参数，确定单轨吊的极限工况，计算出在极限工况下驱动部所需的驱动力，根据力的传递性质计算出每根拉杆所受到的应力大小，类比原有单轨吊上拉杆、驱动部车架、起吊梁等尺寸，对长拉杆、短拉杆、框型拉杆、驱动部车架、起吊梁、承载小车进行轻量化等再设计，并经过SolidWorks对整机进行干涉性检查，以及通过ANSYS对各个关键部件进行应力、变形分析，实现本体结构开展轻量化优化设计，并验证其安全性。4.3 导轨吊系统动力学分析首先，针对单轨吊整车开展动力学理论建模与分析，建立控制系统各环节的数学模型，使用MATLAB/Simulink工具搭建系统的传递函数框图，并对其进行理论分析简化。输出bode图及阶跃响应曲线,选用PI调节器对系统进行校正，对比分析驱动部控制系统的动态性能。借助ADAMS虚拟样机软件建立动力学仿真模型，研究单轨吊在不同工况下的驱、制动动力学特性，根据采得的数据对驱动部动力进行分配；借助WorkbenCh平台建立考虑温度场的制、驱动单元的有限元模型，分析热变形及摩擦做功对轨道安全和稳定性能的影响开展轨道的稳定性及安全性评估。4.4 单轨吊系统整体方案校核根据单轨吊在不同工况下的驱、制动动力学特性，以及该工况下驱动部动力分配方案，通过ADAMS虚拟样机及ANSYS软件校核单轨吊在极限负载时上坡、下坡、变坡、转弯等情况下的整车及轨道的安全性、可靠性，该部分要综合考虑轨道及单轨吊参数及安全性能,开展动静态的仿真计算。4.5 图纸及设计报告当单轨吊经过各种工况下的行车检核后，将三种拉杆、驱动部车架、起吊梁、承载小车的尺寸出详细的CAD图纸；然后撰写设计分析报告，确保结构可靠。4.6 工业性试验按照工程图纸，改造工程样机，通过行车试验验证单轨吊的真正性能，并得出一份试验报告。再根据试验报告对单轨吊不合适的地方进行再优化。5 .预期成果（1）完成样机改造部分图纸一套（2）改造样机1台，完成工业性试验，申请专利12项，（3）设计报告1份6 .实施计划第一阶段：XXXX年3月至XXXX年6月调研，收集资料，确定各单位的具体分工，调研开展单轨吊的结构设计，调研轨道工况参数，建立三维模型。第二阶段：XXXX年6月至XXXX年12月建立系统动力学模型，开展动力学分析，优化驱动力分配。第三阶段：XXXX年1月至XXXX年3月开展试验研究及技术推广，撰写结题报告，准备课题验收。