快架塔式起重機(jī)起重臂折疊過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

田春偉，王 進(jìn)，馬軍星，李志國(guó)，鮑會(huì)麗，楊國(guó)棟

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

快架塔式起重機(jī)起重臂折疊過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

田春偉1，王 進(jìn)1，馬軍星1，李志國(guó)2，鮑會(huì)麗2，楊國(guó)棟2

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

[摘 要]起重臂折疊過(guò)程性能參數(shù)的研究對(duì)快架塔的設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文利用Pro/E和ADAMS兩個(gè)軟件共同對(duì)快架塔建立了動(dòng)力學(xué)模型，其中鋼絲繩的建模采用了cable工具建模新方法。并對(duì)其折疊過(guò)程的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析研究，為快架塔起重臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]快架塔式起重機(jī)；起重臂；動(dòng)力學(xué)分析

快速架設(shè)塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱快架塔）是一種能夠適應(yīng)狹小空間作業(yè)的起重設(shè)備，因?yàn)樗恼麢C(jī)折疊起來(lái)可以收縮至很小的尺寸，能夠靈活的穿梭于各施工場(chǎng)地。更重要的是其自行架設(shè)功能，這個(gè)功能不但節(jié)省人力物力，而且提高了架設(shè)和拆卸的效率。QTK16就是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新型的快架塔,在QTK16快架塔起重臂的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要保證起重臂在工作狀態(tài)下滿足各工況的負(fù)載要求，以及在折疊和展開(kāi)狀態(tài)下的外形要求，而且要保證折疊和展開(kāi)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、碰撞沖擊小、定位準(zhǔn)確、安全可靠。因此對(duì)QTK16快架塔起重臂的折疊過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化具有非常重要的意義。

1 快架塔的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)形式

QTK16是一款設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)巧妙的快架塔，起重臂可以自行折疊，所有折疊過(guò)程都靠快架塔自身機(jī)構(gòu)自行完成。起重臂主要由臂架、撐架、展臂機(jī)構(gòu)、展臂鋼絲繩、拉索和拉桿等組成。展臂鋼絲繩的一端與展臂機(jī)構(gòu)相連，繞過(guò)一節(jié)臂、二節(jié)臂撐架和二節(jié)臂上的滑輪組，終端錨固在二節(jié)臂撐架上。尾部拉索掛在塔身底端的配重上用來(lái)維持起重臂的整體平衡，局部平衡的維持依靠其它拉索與各撐架的相互配合。塔身內(nèi)部裝有液壓油缸，可以驅(qū)動(dòng)塔身上下伸縮?？旒芩Y(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 快架塔起重臂結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

起重臂是依靠塔身液壓油缸和展臂機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，在展臂鋼絲繩及各拉索的共同作用下進(jìn)行折疊的，在起重臂的折疊過(guò)程中液壓油缸和展臂機(jī)構(gòu)的工作具有不同步性，折疊過(guò)程大致分為五個(gè)步驟完成：①在頂升油缸的驅(qū)動(dòng)下塔身下降，使尾部拉索放松，起重臂下降旋轉(zhuǎn)約45°；②展臂機(jī)構(gòu)收縮展臂鋼絲繩，通過(guò)滑輪組帶動(dòng)二節(jié)臂使其旋轉(zhuǎn)到水平位置；③頂升油缸驅(qū)動(dòng)塔身下降，放松尾部拉索，使一節(jié)臂旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)；④展臂機(jī)構(gòu)繼續(xù)收縮展臂鋼絲繩使二節(jié)臂和三節(jié)臂最終與一節(jié)臂完全折疊；⑤頂升油缸再次驅(qū)動(dòng)塔身下降，使尾部撐架和頂撐架折疊。折疊過(guò)程如圖2所示。

圖2 快架塔起重臂折疊過(guò)程示意圖

2 建立快架塔的虛擬樣機(jī)模型

考慮到快架塔幾何模型比較復(fù)雜，直接在ADAMS環(huán)境下建立模型非常困難，所以利用Pro/E軟件來(lái)創(chuàng)建快架塔的剛體三維模型。由于Pro/E模型的裝配體導(dǎo)入ADAMS后各部件之間只保留幾何位置關(guān)系，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各部件之間必須進(jìn)行波爾運(yùn)算使其成為一個(gè)整體，但是QTK16快架塔模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多，整個(gè)模型全做波爾運(yùn)算會(huì)使計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算量巨大，仿真時(shí)間大大增長(zhǎng)，最終使仿真無(wú)法進(jìn)行。為了減少計(jì)算量并提高仿真速度，在Pro/E建立三維模型時(shí)，部件間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)裝配體（*.asm）建成一個(gè)整體零件（*.prt）模型，這樣導(dǎo)入ADAMS后無(wú)需再做波爾運(yùn)算，不但可以使仿真順利進(jìn)行，而且大大縮短了仿真時(shí)間。把建好的模型保存成具有糾錯(cuò)功能的Parasolid （*.x_t）中性文件，然后導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境下完成后續(xù)的建模及仿真工作。雖然快架塔的幾何模型可以借助建模功能強(qiáng)大的Pro/E軟件進(jìn)行創(chuàng)建，但是像鋼絲繩這樣變形大、撓性好的柔性體模型的建立問(wèn)題，還必須通過(guò)ADAMS自身建模來(lái)解決。在導(dǎo)入的幾何模型上創(chuàng)建鋼絲繩模型，利用最新的cable工具鋼絲繩建模方法[2]，對(duì)模型進(jìn)行鋼絲繩建模。

在有相互運(yùn)動(dòng)的各部件之間施加運(yùn)動(dòng)副，然后進(jìn)行模型檢驗(yàn)，對(duì)存在過(guò)約束的運(yùn)動(dòng)副采用具有相似功能的基本副來(lái)代替，以去除其過(guò)約束。在各個(gè)相互接觸的運(yùn)動(dòng)部件之間定義接觸碰撞關(guān)系，接觸函數(shù)為IMPACT函數(shù)。最后，根據(jù)起重臂折疊時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間，為頂升油缸添加驅(qū)動(dòng)，按油缸的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間都為2s，驅(qū)動(dòng)速度為1m/min，建立驅(qū)動(dòng)函數(shù)的類型為STEP函數(shù)。

3 仿真結(jié)果及分析

已知起重臂各部件的重力值，以及各部件的重心點(diǎn)位置，因此可以對(duì)起重臂進(jìn)行理論的受力分析與求解，可以求出起重臂折疊時(shí)各個(gè)位置的所有拉索以及絞點(diǎn)處的受力。

對(duì)快架塔起重臂的折疊過(guò)程做動(dòng)力學(xué)仿真，得出的各拉索和絞點(diǎn)的受力時(shí)間——曲線數(shù)據(jù)與分析求解得出的數(shù)據(jù)相比較，證實(shí)仿真結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。并對(duì)受力較大部件的仿真結(jié)果進(jìn)行具體分析。

頂升油缸的驅(qū)動(dòng)速度如圖3所示。

圖3 頂升油缸的驅(qū)動(dòng)速度

頂升油缸的驅(qū)動(dòng)分三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)起重臂折疊的步驟一、步驟三和步驟五，其他階段油缸靜止。每個(gè)驅(qū)動(dòng)階段的啟動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)時(shí)間都為2s，其他時(shí)間以1m/min的速度做勻速運(yùn)動(dòng)，三個(gè)階段驅(qū)動(dòng)完成頂升油缸的行程5500mm，驅(qū)動(dòng)的速度根據(jù)研究樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)設(shè)定，從仿真動(dòng)畫(huà)可以清晰的看出起重臂可以平穩(wěn)的安裝折疊原理完成對(duì)應(yīng)折疊運(yùn)動(dòng)。

所有拉索中受力最大的是尾部拉索，尾部拉索受的拉力曲線如圖4所示。

圖4 尾部拉索受的拉力

從仿真曲線圖可以看出，尾部拉索所的拉力隨著起重臂重力力矩的減小而逐漸減小，在起始位置受到最大為58KN的拉力，尾部拉索是由兩根直徑為22mm的鋼絲繩組成，每根能承受的破斷拉力為SP=500d2=242kN，根據(jù)GB/T 8918-2006《鋼絲繩》可知，拉索的安全系數(shù)為n=6，因此拉索的許用拉力為F=nSP=1452kN，遠(yuǎn)大于尾部拉索承受的最大拉力，因此，在折疊工況下，尾部拉索的設(shè)計(jì)是安全可靠的。受力曲線有一段出現(xiàn)較大的上下波動(dòng)，主要是因?yàn)槎?jié)臂拉索二松弛后三節(jié)臂自由下垂，左右擺動(dòng)造成的，為了使折疊運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)安全，應(yīng)該在二節(jié)臂和三節(jié)臂絞點(diǎn)處加阻尼材料以減小三節(jié)臂的擺動(dòng)。在547s時(shí)，由于尾部撐架突然下落，慣性拉力使尾部拉索突然增大，隨后瞬間變?yōu)?N。

展臂鋼絲繩受的拉力如圖5所示。

圖5 展臂鋼絲繩受的拉力

在折疊的第一個(gè)步驟，由于一節(jié)臂和二節(jié)臂下弦桿相互支撐，展臂鋼絲繩處于松弛狀態(tài)不受力。由圖6可知，從第二步開(kāi)始，展臂機(jī)構(gòu)的卷筒收縮鋼絲繩，展臂鋼絲繩開(kāi)始受力，通過(guò)二節(jié)臂上的動(dòng)滑輪拉動(dòng)二節(jié)臂進(jìn)行折疊，到395s時(shí)，二節(jié)臂撐架與二節(jié)臂接觸碰撞并隨其一起運(yùn)動(dòng)，二節(jié)臂上的動(dòng)滑輪不再轉(zhuǎn)動(dòng)，只靠一節(jié)臂上的定滑輪拉動(dòng)，使展臂鋼絲繩所受拉力突然激增一倍，受力激增嚴(yán)重影響鋼絲繩的壽命，可以在二節(jié)臂與撐架接觸的地方安裝緩沖裝置，不但可以放緩鋼絲繩受力的增速，還可以減少二節(jié)臂與撐架的剛性碰撞。

圖6 內(nèi)塔身與一節(jié)臂絞點(diǎn)處的受力

絞點(diǎn)處受力最大的是內(nèi)塔身與一節(jié)臂的絞點(diǎn)，受力如圖6所示。

從仿真曲線圖可以看出，內(nèi)塔身與一節(jié)臂絞點(diǎn)處的受力總體趨勢(shì)是逐漸減小的，主要原因是因?yàn)閮?nèi)塔身與一節(jié)臂絞點(diǎn)處的受力與起重臂的重力和尾部拉索的拉力的和相平等，起重臂的重力不會(huì)變，而尾部拉索的拉力逐漸減小，才使絞點(diǎn)處的受力減小。由圖6所示，最大受力為76.6kN，當(dāng)在工作工況起吊重物時(shí)，受力會(huì)更大，應(yīng)該加厚耳板并裝加強(qiáng)環(huán)，以防止絞點(diǎn)處的受力達(dá)到耳板的強(qiáng)度極限。當(dāng)起重臂折疊完成時(shí)，絞點(diǎn)處的受力等于起重臂的重力，一直穩(wěn)定在18.3kN。

4 結(jié) 論

本文對(duì)起重臂的折疊過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)受力較大的部件進(jìn)行了強(qiáng)度分析，從理論上證實(shí)了QTK16快架塔起重臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。并對(duì)具體部位提出了優(yōu)化措施，以使起重臂結(jié)構(gòu)更加合理、安全。同時(shí)，本文也為類似機(jī)構(gòu)的建模及分析提供了重要的理論參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鮑會(huì)麗，閆天興．基于ANSYS的快架塔起重臂的靜力學(xué)分析[J]．建筑機(jī)械化，2013，(7)：53-54.

[2] 田春偉，馬軍星．基于ADAMS的鋼絲繩建模方法研究[J]．建筑機(jī)械化，2014，(7)：42-44．

（編輯 賈澤輝）

Dynamic Analysis of fast frame tower crane boom folding process

TIAN Chun-wei, WANG Jin, MA Jun-xing, LI Zhi-guo, BAO Hui-li, YANG Guo-dong

［中圖分類號(hào)］TH213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)06-0039-03

［收稿日期］2014-11-04