QTK16型快架塔塔身連桿機構(gòu)運動分析

李 強，王 進(jìn)，張家慶，田春偉，鮑會麗LI Qiang, WANG Jin, ZHANG Jia-qing, TIAN Chun-wei, BAO Hui-li（.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 70064；.中國建筑科學(xué)研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

產(chǎn)品·技術(shù) Product.Technology

QTK16型快架塔塔身連桿機構(gòu)運動分析

李 強1，王 進(jìn)1，張家慶1，田春偉1，鮑會麗2
LI Qiang, WANG Jin, ZHANG Jia-qing, TIAN Chun-wei, BAO Hui-li
（1.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.中國建筑科學(xué)研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

[摘 要]基于桿組法對QTK16型快架塔塔身連桿機構(gòu)進(jìn)行運動分析，首先對塔身連桿機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將機構(gòu)分解成原動件組和基本桿組，然后提出了對快架塔塔身連桿機構(gòu)運動分析的流程。運用ADAMS軟件對塔身折疊運動過程作運動學(xué)仿真，結(jié)果表明塔身主要結(jié)構(gòu)件在運動起始和結(jié)束階段速度波動較大，其余階段速度運動平穩(wěn)。塔身研究結(jié)論對同類型快架塔機設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]快架塔；塔身；連桿機構(gòu)；運動分析；桿組法

快速架設(shè)塔式起重機（以下簡稱快架塔）是近年來國內(nèi)興起的一種新型起重設(shè)備，因其具有轉(zhuǎn)場方便、架設(shè)迅速、整機折疊后體積小等優(yōu)點收到各方廣泛關(guān)注?？旒芩米陨頇C構(gòu)對臂架和塔身進(jìn)行折疊，折疊后整機尺寸變得特別小，適合于各個工地上來回調(diào)度使用?？旒芩乃磉B桿機構(gòu)設(shè)計新穎，依靠布置在塔身上的液壓連桿機構(gòu)就可完成自身折疊。塔身連桿機構(gòu)運動過程復(fù)雜，因此對塔身連桿機構(gòu)進(jìn)行運動分析很有必要。本文基于桿組法對QTK16型快架塔塔身連桿機構(gòu)進(jìn)行運動分析，分析結(jié)果對同類型的快架塔機設(shè)計具有一定理論意義。

1 塔身連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

1.1 塔身連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡介

圖1是QTK16型快架塔架設(shè)完成時的機構(gòu)運動簡圖，塔身連桿機構(gòu)由下塔身、油缸、推桿1、推桿2、外塔身、塔身連桿、機架等8個構(gòu)件構(gòu)成 。從圖上可以看出塔身連桿機構(gòu)是包含液壓油缸的復(fù)雜平面連桿機構(gòu)。由平面自由度計算公式可得機構(gòu)自由度為一個，即液壓缸筒和活塞桿間的移動運動，因此該機構(gòu)具有確定的運動規(guī)律。隨著油缸的收縮，帶動推桿1，推桿2運動。接著下塔身繞鉸點A順時針做旋轉(zhuǎn)運動，同時外塔身繞鉸點E相對下塔身作逆時鐘旋轉(zhuǎn)，最后整個塔身折疊，并水平地放置在機架上。塔身折疊過程的狀態(tài)如圖2，塔身最后完全折疊的狀態(tài)如圖3所示。

圖1 塔身機構(gòu)運動簡圖(立塔狀態(tài))

圖2 塔身折疊過程狀態(tài)圖

圖3 塔身完全折疊狀態(tài)

1.2 塔身連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

按照阿蘇爾桿組理論，機構(gòu)可以分為機架、原動件、桿組等三部分，其中原動件的自由度數(shù)等于機構(gòu)自由度，桿組自由度為零，桿組依次疊加到原動件上。由于液壓連桿機構(gòu)中原動件活塞桿3不與機架相連，因此不能用阿蘇爾桿組理論直接對液壓連桿機構(gòu)劃分。文獻(xiàn)1利用理論力學(xué)的辦法將液壓氣動機構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有可變長度桿的桿組，以簡化運動分析，但桿件具有可變長度，同樣不能調(diào)用現(xiàn)有桿組子程序。文獻(xiàn)2認(rèn)為液壓連桿機構(gòu)具有機構(gòu)的一個自由度，是機構(gòu)的原動件，并其定義為原動桿組，在作用分析時缸體和活塞桿之間的運動按移動副處理。這里的液壓油缸運動可以調(diào)用RPRⅡ即桿組子程序，使用方便。因此，本文按照文獻(xiàn)2的方法將液壓連桿機構(gòu)分為原動件組，并對機構(gòu)進(jìn)行拆分。將機構(gòu)拆分為原動件組2-3-4，Ⅱ級桿組4-5，Ⅱ級桿組6-7，機架8與單桿1,因此，該塔身平面連桿機構(gòu)為Ⅱ級機構(gòu)。

2 塔身連桿機構(gòu)運動分析

2.1 塔身連桿機構(gòu)運動分析流程

連桿機構(gòu)的運動分析是指在已知原動件的運動規(guī)律前提下，求解其他活動構(gòu)件的運動參數(shù)，包括角位移、角速度、角加速度等，同時求解構(gòu)件上某點的位置、速度、加速度。連桿機構(gòu)運動分析為動力學(xué)分析及機構(gòu)優(yōu)化提供前期理論支撐。由快架塔塔身塔身折疊狀態(tài)圖2可以看出，原動件組是連接于桿1上的，而桿1繞鉸點A轉(zhuǎn)動。即原動件組上點D的運動是建立在桿1的牽連運動和缸筒和活塞桿之間的相對運動的基礎(chǔ)上的。因此，在建立機構(gòu)運動學(xué)模型時先假設(shè)原動件組外副B、C上具有確定的運動。依次為基礎(chǔ)導(dǎo)出鉸點D和構(gòu)件4的運動參數(shù)。從而建立桿1輸入?yún)?shù)和油缸之間相對運動參數(shù)間的關(guān)系。該過程的運動分析流程如圖4所示。

圖4 連桿運動分析流程一

在導(dǎo)出桿1與桿5、D點間運動參數(shù)關(guān)系后，就可以用常規(guī)的桿組法求解塔身連桿機構(gòu)了。該過程的分析流程如圖5所示。

圖5 連桿運動分析流程二

2.2 運動仿真結(jié)果分析

利用ADAMS軟件對QTK16型快架塔塔身折疊過程進(jìn)行運動仿真分析。從外塔身的仿真結(jié)果可看出在折疊運動的起始和結(jié)束運動階段，加速度較大。其中在運動結(jié)束處加速度值達(dá)6.56mm/s2。在其它時段運動平穩(wěn)，速度較大，基本保持在80mm/s左右。從下塔身的運動仿真結(jié)果看,下塔身運動過程速度較小，同時在運動的起始和結(jié)束處存在一定加速度，其中結(jié)束階段加速度為3mm/s2，其余時段下塔身速度保持在30mm/s左右水平。通過仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，在塔身折疊運動過程，塔身主要結(jié)構(gòu)件在運動起始和結(jié)束階段速度波動較大，其余階段速度運動平穩(wěn)，因此可以通過延長塔身油缸啟動和停止時間已達(dá)到減少運動沖擊的目的。

3 結(jié) 論

本文基于桿組法對快架塔塔身連桿機構(gòu)進(jìn)行了運動分析，利用桿組理論對機構(gòu)進(jìn)行了拆分，認(rèn)為此類復(fù)雜液壓連桿機構(gòu)可以分為原動件組和基本桿組。接著，對相應(yīng)桿組進(jìn)行運動學(xué)建模。針對快架塔塔身油缸機構(gòu)并不與機架相連而是連接于搖桿1上的特殊情況，提出了先假設(shè)搖桿1運動情況已知情況下，推導(dǎo)出油缸相對運動參數(shù)和桿1運動參數(shù)之間關(guān)系，從而使得此類復(fù)雜液壓連桿機構(gòu)可以用成熟的桿組解法完成運動分析。在此基礎(chǔ)上提出了運動分析流程,研究的結(jié)論為快架塔連桿機構(gòu)動力學(xué)分析及機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

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（編輯 賈澤輝）

［基金項目］“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAJ02B04)

［中圖分類號］TH213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0035-03

［收稿日期］2015-01-20

Analysis of QTK16 fast frame tower crane body connecting rod mechanism motion