伸缩臂履带吊工况|基于塔机虚拟样机的吊装工况动态分析

杨传宁、董明晓、梁立伟、冯润辉

山东建筑大学机电工程学院，济南 250101

摘要：塔式起重机机构频繁启动和制动产生的惯性力引起结构振动和货物摆动，是引起塔式起重机疲劳失效的主要因素。为了研究结构振动和货物摆动的影响规律，基于 ADAMS 软件建立刚柔耦合塔式起重机虚拟样机，模拟起重运动，得到结构振动和货物摆动曲线，并与实验数据。研究结果表明：在吊装运动中，随着吊装速度的增加，吊装过程中产生的动载荷系数增大，结构振动幅度增大，货物的最大起升力和摆动幅度增大，达到稳定状态。它也需要更长的时间。

关键词：塔式起重机；刚柔耦合；动载荷系数；振幅

CLC 编号：TH213.3 证件识别码：A 货号：1001-0785 (2020）01-0069-04

0 简介

随着起重行业的不断发展，塔式起重机逐渐向复杂化、大型化和安全化方向发展，对整机设计和操作人员的操作提出了更高的要求。在整机工作过程中吊车公司，塔体、动臂和货物对整机振动的影响不同伸缩臂履带吊工况|基于塔机虚拟样机的吊装工况动态分析，三者的耦合更为复杂。如果建立单一的数学模型，静力分析方法就不能满足要求。李宇宁[1]等建立了平面刚段单元和柔性梁有限段模型的动力学方程，并通过数值求解的方法得到了机构的动力学响应；奚瑞平[2]、贾媛媛[3]等人建立了虚拟样机模型，进行了全面的多体动力学仿真，得到了系统的动力学响应曲线；李瑞强[4]通过ADAMS建立刚柔耦合动力学模型，模拟起重系统的受力状态；刘鹤[5]等。 ADAMS 分析了汽车起重机的稳定性。春华.赵[6]等。基于ADAMS的多柔性塔式起重机动态研究； Darina Hroncová[7] 等人。在 ADAMS/View 中完成曲柄机构建模。运动学分析。上述研究验证了利用建模研究动力学的可行性。考虑到振动研究需要与工程实践相结合，对实际工况下的振动响应进行了分析。工况结构振动与货物摆动规律。

1 基于 ADAMS 构建塔式起重机虚拟样机

结合Solidworks软件、Ansys软件和ADAMS软件，建立刚柔耦合塔式起重机虚拟样机。首先使用Solidworks软件建立整机的实体模型，然后将实体模型导入Ansys软件进行网格划分。区域法导出MNF文件生成柔性体模型伸缩臂履带吊工况，最后在ADAMS软件中建立刚柔耦合塔机虚拟样机。

两种起重工况的动态分析

2.1起吊条件

塔机在理想条件下吊起货物时，钢丝绳上的力F是时间t的分段函数，即在0~t1期间货物开始起吊，钢丝绳上的力绳索从0增加到F，最后减小到货物自重G；在t1～t2阶段，货物开始离地并匀速上升。该阶段卷筒速度不为0，系统有弹性振动，钢丝绳受力保持G；上的力减少了G，最后又回到了G。现在模拟起吊情况，验证上面的分析是正确的

准确研究整机的振动规律。

根据起升运动过程，利用IF函数和STEP函数编辑驱动函数，探索不同起升速度对整机振动的影响。具体工况为：工况1：1.8 t 货物以0.7 m/s的速度提升，转弯半径为20 m，提升机构静止0~ 1s，加速1~8s，匀速提升8~32s，32~35s减速提升。

条件2：1.8 t货物以0.373 8 m/s的速度提升，转弯半径为20 m，提升机构静止0~1 s，加速1~8秒提升，8~57秒恒速提升，57~60秒减速提升。

2.2吊装工况模拟

根据第二次工况模拟一、，得到臂杆端部在臂杆垂直平面内的位移曲线如图1所示，臂杆端部位移曲线如图1所示。得到臂架垂直平面内的平衡臂如图2所示，塔顶沿臂架方向的位移曲线如图3所示。

在起升运动过程中，动臂被钢丝绳拉下，动臂末端在其垂直平面内从静止状态向下运动。图1中臂端振动曲线在0刻度线以下，随着起升时间的增加，振动幅度逐渐减小，仿真结果与理论分析结果一致。与动臂末端的运动相比伸缩臂履带吊工况，平衡臂末端的运动方向相反。在图 2 中，平衡臂的末端将在悬臂的垂直平面上阻尼振动。从图3可以看出，塔顶振动主要沿动臂方向，靠近动臂和远离平衡臂，曲线在0刻度线以上波动，振幅逐渐减小。

图1 臂端在臂杆垂直平面内的位移

图2 平衡臂端部在动臂垂直平面内的位移

图3 塔顶沿吊杆方向位移

起升机构以0.7 m/s的速度起升时，图1中臂架端部在臂架垂直平面内的位移约为0.8m，图2 中间平衡臂末端位移约为0.05 m，图3中塔身顶部位移约为0.05 m。臂架末端的振幅远大于平衡臂末端和塔身的顶部振幅，因此起重运动对臂架结构振动的影响最大。当起升机构以不同速度起升时，从图1、图2和图3可以看出，起升速度越大，位移曲线的波动幅度越大，结构振动越明显。为了进一步研究提升过程中钢丝绳的受力和货物的摆动，钢丝绳在吊臂垂直面的受力曲线如图4所示，货物在吊装过程中的位移曲线如图4所示。动臂垂直面如图5所示，动臂垂直面速度曲线如图6所示。

图4 钢丝绳在吊臂垂直面受力

图 5 吊臂垂直平面内货物的位移

图6 吊臂垂直平面内货物的速度

从图4可以看出，随着起升机构的运动，钢丝绳受力逐渐增大，当达到起升载荷时，会围绕货物重量上下波动1. 8×104 N。图5中的货物摆动曲线表明，货物从地面升起后，货物的摆动幅度最大。随着货物起升高度的增加，摆动幅度逐渐减小，起吊停止后货物的摆动幅度变大。挥杆速度的趋势与其一致。结果表明，在起升过程中，起升机构对货物在启动和制动时的摆动影响最大。当起升速度为0.7 m/s和0.373 8 m/s时，对比图5和图6的货物排水量和速度曲线可以看出，起升速度越大，货物的装载过程越高。摆动幅度和摆动速度越大。

当提升速度为0.7 m/s时，从图5可以看出，货物将在大约6.7s内提升离地。此时，图4中钢丝绳的受力达到起吊动载荷，但在9.9s左右出现了一个新的峰值。分析表明：9.9s，图5中的货物向下摆动，图1中的吊臂末端向上振动，钢丝绳在提升吊臂垂直面的拉力会增大，最终大于起重载荷。

通过计算图4中不同速度下的动载荷系数φ1=1.22、φ2=1.15可以看出，当货物的提升速度增大，起重过程产生的动载荷系数 ，相应增大，该过程产生的动载荷越大，冲击载荷和惯性载荷就越大。因此，在起吊过程中，驾驶员应尽量降低起升速度，以减少起吊动载荷。

3 吊装条件下的振动试验

3.1 个试验方案

振动试验在QTZ5613平头塔式起重机上进行。起重臂末端的起重臂垂直高度主要由L2 Maitek激光测距传感器测量。该传感器重量轻、体积小、功耗稳定。测量频率保持在1～10Hz之间，量程可达200​​m，分辨率1mm，最高测量精度可达±2mm。其测量特性保证了测量的准确性和可靠性。

安装时，将带有滚动轴承的固定支架的测距传感器安装在距塔体55m的位置，以保证测距传感器的激光探头始终垂直向下发射激光，并将发射的激光反射回来由地面对激光测距传感器重新接收，激光测距传感器上位机连续记录激光往返时间和距离。通过Matlab编写程序，将测量数据转换成振动曲线。

3.2起吊条件下的测试结果分析

当起升机构以0.7 m/s的速度提升时，得到工况1。臂架端部在臂架垂直平面内的位移如图7所示。臂架端部保持静止状态，随着钢丝绳向下的拉力作用在臂架上，臂架端部在其垂直平面向下移动，最后围绕稳定值振动。 40 s试验曲线对比表明吊车出租，模拟结果中臂架端部在臂架垂直平面内的高度变化约为0.8 m，试验结果约为0.5 m结果。由于环境的影响，仿真曲线与测试曲线存在一定的差距，但两者的运动趋势基本一致。

图7 工作状态下臂架末端在臂架垂直平面内的位移

4 个结论

通过建立刚柔耦合塔机动力学模型，对吊装工况进行动力学模拟，得到结构振动、货物摆动和钢丝绳受力曲线，并对比臂端振动曲线与试验曲线对比，仿真结果表明：在起升工况下，臂架、平衡臂和塔身都会发生振动，其中臂架振动幅度最大。所需的最大起升力越大，起吊过程中产生的动载荷系数越大，货物起吊过程的摆动幅度越大，达到稳定状态所需的时间也就越长。

参考文献

[1]李宇宁．基于刚柔耦合模型的起重机臂架系统动力学分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[2] 奚瑞萍．塔式起重机系统动态仿真研究[D]．太原：太原科技大学，2009.

[3]贾圆圆． QTZ40塔式起重机设计与性能分析[D].镇江：江苏科技大学，2013.

[4]李瑞强．基于ADAMS的多机起重刚柔耦合动力学分析[D].大连：大连理工大学，2016.

[5] 刘鹤，周静，刘康。基于ADAMS的汽车起重机在不同地面条件下的稳定性分析[J].装备制造技术, 2018(6):157-160.

[6] 赵春华,陈世军,张金,等.基于ADAMS多柔性体的塔式起重机动态性能研究[J].先进材料研究,2012,1 673(960):1 504-1 509.

[7] Darina Hroncová，Michal Binda，Patrik Šarga，František Kičák。基于MSC.ADAMS/View的曲柄滑块机构运动学分析[J].Procedia Engineering,Volume 48,2012:213-222.