李盛宝 李庆帅 李宗鹏 袁志华教授

(1.河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州 450002；2.深圳兴华世纪科技有限公司，广东 深圳 518101)

0 引言

起重运输机械在我国被列为特种设备进行管理，该类特种设备的使用涉及到人民的生命安全和财产安全，具有较大的危险性，国家有专门的法律条例和特种设备监管机构，从生产、使用、检测三环节进行全方面的规定和监督[1]。但是由于特种设备结构复杂、人员操作要求高等因素影响，起重运输机械事故时有发生[2-5]。2013-2017年国内96起附有详细事故调查报告的塔式起重机安全事故中，共造成159人死亡，55人受伤，直接经济损失约为18396.25万元[6]。

由于事故发生的不确定性和短暂性，在事故发生后人们不能够直接判断出事故发生的原因及状态，难以掌握机械事故发生时的破坏形式和以后的预防方法，因此事故仿真应运而生。利用计算机软硬件技术，可实现对已发生的机械事故进行模拟仿真。将虚拟现实技术应用于事故仿真是安全教育领域的新方向，适合危险复杂环境场景与重大事故模拟，在煤矿、交通、化工、建筑工程等领域得到应用[7-9]。

1 起重机结构及联轴器断裂事故简介

1.1 起重机联轴器断裂事故描述

Q300t/32m型门式起重机是秦沈客运专线G4标用于铁路箱梁移梁的专用起重设备。施工现场布置两台，两台起重机抬吊一片约500t的箱梁，在运行过程中，其中一台的起升机构失去控制，巨型箱梁因为失去约束而加速下坠直至落到地面。造成此次事故的直接原因是制动轮两侧的联轴器断裂[10]。本文以此次事故进行仿真模拟。

1.2 门式起重机的结构简介

门式起重机属于桥式起重机的一种变形，别名为龙门吊，主要用于物料的装卸作业。门式起重机由起升机构、小车运行机构、大车运行机构、桥架和电气部分等组成[11]。起升机构由电动机、制动器、传动轴、联轴器、减速器、卷筒、定滑轮组和钢丝绳等零部件组成。起升机构由起升电动机通过联轴器再经减速器轴驱动卷筒旋转，使绕在卷筒上的钢丝绳或缆线带动吊钩装置上升或下降。

2 起重机的实体建模与成组

2.1 起重机的实体建模

利用SolidWorks软件强大的实体建模功能，通过拉伸、旋转、切除、打孔等操作完成各零件模型的建立，并按照实际工作时的各种运动和约束关系对零件进行装配。起重机上部整机装配体模型，如图1。

图1 Q300t/32m型起重机上部整机建模图

2.2 起重机成组

SolidWorks在三维模型建立方面是非常出色的，但其模拟仿真动画制作远不如3DS Max方便。两个软件之间存在格式兼容问题，几种常用格式有.IGS、.STL、.STP和.WRL等[12]。.WRL文件可以直接将装配体保存成一个文件，而不需要将装配体的各个零件模型单独保存，而且在3DS Max中打开仍然为装配体的形式而不是一个整体。将装配好的SolidWorks装配体另存为.wrl格式，导入3DS Max中。

在3DS Max中打开模型，各个零件的位置还是装配体中的位置，但是它们之间的相互约束关系不见了，这时候如要拉动零部件模型就会破坏各个零件之间的相对位置。利用3DS Max中的成组命令，将相对位置保持不变的模型相互成组，使它们变成一体，这样就可以保持一些零部件模型直接的配合关系，同时管理起来也会更加方便。在将SolidWorks中的模型导入3DS Max中，若成组不了，主要原因是从外部导入的零部件之间存在链接关系。首先选中全部零件模型，然后点击左上角的取消链接按钮，这时候各个零部件模型之间就可随意移动同时可以成组。为了便于后期的动画制作，起重机分为了吊钩组、桥架组、卷筒组、小车运行机构组、起重机支腿组等等。

3 起重机联轴器断裂事故仿真动画制作

3.1 添加模型的链接关系

为了制作事故动画，需要为一些零件对象添加合理的链接关系，使得一个零件发生空间变化时，与它有链接关系的零件也随之发生变化。在Q300t/32m型起重机的事故模拟中，需要对传动机构中的各种轴、联轴器、齿轮、钢丝绳、吊钩以及箱梁等添加合理的链接关系及链接变换。链接关系建立好之后，模型的零部件就能相互之间正确影响，便于后续制作动画。

3.2 添加模型的贴图

在将模型导入3DS Max后，模型只有基本的灰色，为了更好地表现物体表面丰富的纹理效果，这时候就需要用到贴图功能。贴图功能是指在模型的外表面覆盖上所选用的图片颜色[13]。通过使用3DS Max提供的各种类型的材质和贴图，可以灵活地表现出物体表面的纹理、凸凹、透明等效果，使创建的三维模型更加逼真。门式起重机的整体颜色一般来说是具有金属光泽的橙黄色，钢丝绳的颜色一般为银灰色，可以通过材质编辑器里“明暗器参数”和“基本参数”设置进行操作。

3.3 制作关键帧动画

对于Q300t/32m型起重机的事故模拟，选择使用3DS Max关键帧动画功能来仿真。关键帧动画是在时间轴上定义关键的时间点来记录模型的空间变化，然后再移动时间滑块可以观看模型的运动变化。关键帧动画中有自动关键帧与手动关键帧两种方法，自动关键帧比较方便但是容易导致出现废帧而引起混乱，手动关键帧操作较多但是稳定可靠。起重机联轴器断裂事故整个动画用了100帧来制作，在0到50帧，起重机正常移动下降吊钩和上升起吊，在50帧到80帧，起重机上升起吊，77帧时，联轴器的4个联接螺栓断裂，80帧到100帧，起重机的吊钩及重物快速下坠。

3.4 摄像机设置

摄像机的设置对动画的展示效果有很大影响，为了突出动画显示重点，常常使用摄像机的设置来达到效果。起重机联轴器断裂事故模拟主要观察的是起升机构联轴器部分的故障动画，因此让摄像机放在联轴器附近重点显示其动画过程。摄像机分为目标摄像机和自由摄像机两种。在该动画仿真中使用一台自由摄像机的视角来记录事故过程。

3.5 渲染输出动画

在将上述的一系列工作完成后就可以对动画进行输出渲染。找到“渲染”菜单栏里的“渲染设置”，打开，将“公用参数”里的“时间输出”栏勾选上“活动时间段”。在渲染设置里调节好动画分辨率和保存的文件格式及位置，点击渲染按钮，渲染完成后，起重机事故仿真动画就制作完成了。

3.6 事故模拟效果

针对起重机事故，进行仿真动画，展示了起重机的运动，有远到近，可以观看到起重机正常移动下降吊钩和上升起吊，可以看到螺栓断裂瞬间齿轮卡住不动，然后螺栓断裂迸出，随后齿轮高速旋转，重物失控下坠，再现了起重机联轴器断裂事故发生的全过程。起重机吊钩移动(如图2)，螺栓断裂瞬间齿轮卡住不动(如图3)，螺栓断裂迸出(如图4)，重物快速下坠脱落(如图5)。

图2 起重机吊钩移动

图3 螺栓断裂瞬间齿轮卡住

图4 螺栓断裂迸出

此次事故模拟再现了起重机联轴器断裂事故发生的全过程，展示了螺栓断裂产生的影响。以后在使用时，应提前检查螺栓有无疲劳痕、有无断裂，尽早发现隐患并整改，做到事前控制，避免事故发生。

图5 重物快速下坠脱落

4 结论

利用SolidWorks建立起重机模型，模型装配体另存为.wrl格式，导入3DS Max中，在3DS Max软件中，添加模型的链接关系，添加模型贴图，制作关键帧动画，放置摄像机，渲染，可以再现起重机联轴器断裂事故的发生过程。

观看起重机联轴器断裂事故动画，可以对工科大学生进行工程安全方面的教育，使学生提前了解未来的工作安全环境和要求，全面树立安全第一、以人为本的理念，优先培养安全意识和安全思维，帮助学生在以后的工程实践中，迅速适应生产的安全要求，确保人民的生命与财产安全，全面提高工程效果和生产效益。事故仿真模拟对起重机事故原因分析和起重机安全使用也具有重要指导意义。