楊傳寧、董明曉、梁立偉、馮潤輝

山東建筑大學機電工程學院，濟南 250101

摘要：塔式起重機機構頻繁啟動和制動產生的慣性力引起結構振動和貨物擺動，是引起塔式起重機疲勞失效的主要因素。為了研究結構振動和貨物擺動的影響規律，基于 ADAMS 軟件建立剛柔耦合塔式起重機虛擬樣機，模擬起重運動，得到結構振動和貨物擺動曲線，并與實驗數據。研究結果表明：在吊裝運動中，隨著吊裝速度的增加，吊裝過程中產生的動載荷系數增大，結構振動幅度增大，貨物的最大起升力和擺動幅度增大，達到穩定狀態。它也需要更長的時間。

關鍵詞：塔式起重機；剛柔耦合；動載荷系數；振幅

CLC 編號：TH213.3 證件識別碼：A 貨號：1001-0785 (2020）01-0069-04

0 簡介

隨著起重行業的不斷發展，塔式起重機逐漸向復雜化、大型化和安全化方向發展，對整機設計和操作人員的操作提出了更高的要求。在整機工作過程中吊車公司，塔體、動臂和貨物對整機振動的影響不同伸縮臂履帶吊工況|基于塔機虛擬樣機的吊裝工況動態分析，三者的耦合更為復雜。如果建立單一的數學模型，靜力分析方法就不能滿足要求。李宇寧[1]等建立了平面剛段單元和柔性梁有限段模型的動力學方程，并通過數值求解的方法得到了機構的動力學響應；奚瑞平[2]、賈媛媛[3]等人建立了虛擬樣機模型，進行了全面的多體動力學仿真，得到了系統的動力學響應曲線；李瑞強[4]通過ADAMS建立剛柔耦合動力學模型，模擬起重系統的受力狀態；劉鶴[5]等。 ADAMS 分析了汽車起重機的穩定性。春華.趙[6]等。基于ADAMS的多柔性塔式起重機動態研究； Darina Hroncová[7] 等人。在 ADAMS/View 中完成曲柄機構建模。運動學分析。上述研究驗證了利用建模研究動力學的可行性。考慮到振動研究需要與工程實踐相結合，對實際工況下的振動響應進行了分析。工況結構振動與貨物擺動規律。

1 基于 ADAMS 構建塔式起重機虛擬樣機

結合Solidworks軟件、Ansys軟件和ADAMS軟件，建立剛柔耦合塔式起重機虛擬樣機。首先使用Solidworks軟件建立整機的實體模型，然后將實體模型導入Ansys軟件進行網格劃分。區域法導出MNF文件生成柔性體模型伸縮臂履帶吊工況，最后在ADAMS軟件中建立剛柔耦合塔機虛擬樣機。

兩種起重工況的動態分析

2.1起吊條件

塔機在理想條件下吊起貨物時，鋼絲繩上的力F是時間t的分段函數，即在0~t1期間貨物開始起吊，鋼絲繩上的力繩索從0增加到F，最后減小到貨物自重G；在t1～t2階段，貨物開始離地并勻速上升。該階段卷筒速度不為0，系統有彈性振動，鋼絲繩受力保持G；上的力減少了G，最后又回到了G。現在模擬起吊情況，驗證上面的分析是正確的

準確研究整機的振動規律。

根據起升運動過程，利用IF函數和STEP函數編輯驅動函數，探索不同起升速度對整機振動的影響。具體工況為：工況1：1.8 t 貨物以0.7 m/s的速度提升，轉彎半徑為20 m，提升機構靜止0~ 1s，加速1~8s，勻速提升8~32s，32~35s減速提升。

條件2：1.8 t貨物以0.373 8 m/s的速度提升，轉彎半徑為20 m，提升機構靜止0~1 s，加速1~8秒提升，8~57秒恒速提升，57~60秒減速提升。

2.2吊裝工況模擬

根據第二次工況模擬一、，得到臂桿端部在臂桿垂直平面內的位移曲線如圖1所示，臂桿端部位移曲線如圖1所示。得到臂架垂直平面內的平衡臂如圖2所示，塔頂沿臂架方向的位移曲線如圖3所示。

在起升運動過程中，動臂被鋼絲繩拉下，動臂末端在其垂直平面內從靜止狀態向下運動。圖1中臂端振動曲線在0刻度線以下，隨著起升時間的增加，振動幅度逐漸減小，仿真結果與理論分析結果一致。與動臂末端的運動相比伸縮臂履帶吊工況，平衡臂末端的運動方向相反。在圖 2 中，平衡臂的末端將在懸臂的垂直平面上阻尼振動。從圖3可以看出，塔頂振動主要沿動臂方向，靠近動臂和遠離平衡臂，曲線在0刻度線以上波動，振幅逐漸減小。

圖1 臂端在臂桿垂直平面內的位移

圖2 平衡臂端部在動臂垂直平面內的位移

圖3 塔頂沿吊桿方向位移

起升機構以0.7 m/s的速度起升時，圖1中臂架端部在臂架垂直平面內的位移約為0.8m，圖2 中間平衡臂末端位移約為0.05 m，圖3中塔身頂部位移約為0.05 m。臂架末端的振幅遠大于平衡臂末端和塔身的頂部振幅，因此起重運動對臂架結構振動的影響最大。當起升機構以不同速度起升時，從圖1、圖2和圖3可以看出，起升速度越大，位移曲線的波動幅度越大，結構振動越明顯。為了進一步研究提升過程中鋼絲繩的受力和貨物的擺動，鋼絲繩在吊臂垂直面的受力曲線如圖4所示，貨物在吊裝過程中的位移曲線如圖4所示。動臂垂直面如圖5所示，動臂垂直面速度曲線如圖6所示。

圖4 鋼絲繩在吊臂垂直面受力

圖 5 吊臂垂直平面內貨物的位移

圖6 吊臂垂直平面內貨物的速度

從圖4可以看出，隨著起升機構的運動，鋼絲繩受力逐漸增大，當達到起升載荷時，會圍繞貨物重量上下波動1. 8×104 N。圖5中的貨物擺動曲線表明，貨物從地面升起后，貨物的擺動幅度最大。隨著貨物起升高度的增加，擺動幅度逐漸減小，起吊停止后貨物的擺動幅度變大。揮桿速度的趨勢與其一致。結果表明，在起升過程中，起升機構對貨物在啟動和制動時的擺動影響最大。當起升速度為0.7 m/s和0.373 8 m/s時，對比圖5和圖6的貨物排水量和速度曲線可以看出，起升速度越大，貨物的裝載過程越高。擺動幅度和擺動速度越大。

當提升速度為0.7 m/s時，從圖5可以看出，貨物將在大約6.7s內提升離地。此時，圖4中鋼絲繩的受力達到起吊動載荷，但在9.9s左右出現了一個新的峰值。分析表明：9.9s，圖5中的貨物向下擺動，圖1中的吊臂末端向上振動，鋼絲繩在提升吊臂垂直面的拉力會增大，最終大于起重載荷。

通過計算圖4中不同速度下的動載荷系數φ1=1.22、φ2=1.15可以看出，當貨物的提升速度增大，起重過程產生的動載荷系數 ，相應增大，該過程產生的動載荷越大，沖擊載荷和慣性載荷就越大。因此，在起吊過程中，駕駛員應盡量降低起升速度，以減少起吊動載荷。

3 吊裝條件下的振動試驗

3.1 個試驗方案

振動試驗在QTZ5613平頭塔式起重機上進行。起重臂末端的起重臂垂直高度主要由L2 Maitek激光測距傳感器測量。該傳感器重量輕、體積小、功耗穩定。測量頻率保持在1～10Hz之間，量程可達200??m，分辨率1mm，最高測量精度可達±2mm。其測量特性保證了測量的準確性和可靠性。

安裝時，將帶有滾動軸承的固定支架的測距傳感器安裝在距塔體55m的位置，以保證測距傳感器的激光探頭始終垂直向下發射激光，并將發射的激光反射回來由地面對激光測距傳感器重新接收，激光測距傳感器上位機連續記錄激光往返時間和距離。通過Matlab編寫程序，將測量數據轉換成振動曲線。

3.2起吊條件下的測試結果分析

當起升機構以0.7 m/s的速度提升時，得到工況1。臂架端部在臂架垂直平面內的位移如圖7所示。臂架端部保持靜止狀態，隨著鋼絲繩向下的拉力作用在臂架上，臂架端部在其垂直平面向下移動，最后圍繞穩定值振動。 40 s試驗曲線對比表明吊車出租，模擬結果中臂架端部在臂架垂直平面內的高度變化約為0.8 m，試驗結果約為0.5 m結果。由于環境的影響，仿真曲線與測試曲線存在一定的差距，但兩者的運動趨勢基本一致。

圖7 工作狀態下臂架末端在臂架垂直平面內的位移

4 個結論

通過建立剛柔耦合塔機動力學模型，對吊裝工況進行動力學模擬，得到結構振動、貨物擺動和鋼絲繩受力曲線，并對比臂端振動曲線與試驗曲線對比，仿真結果表明：在起升工況下，臂架、平衡臂和塔身都會發生振動，其中臂架振動幅度最大。所需的最大起升力越大，起吊過程中產生的動載荷系數越大，貨物起吊過程的擺動幅度越大，達到穩定狀態所需的時間也就越長。

參考文獻

[1]李宇寧．基于剛柔耦合模型的起重機臂架系統動力學分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[2] 奚瑞萍．塔式起重機系統動態仿真研究[D]．太原：太原科技大學，2009.

[3]賈圓圓． QTZ40塔式起重機設計與性能分析[D].鎮江：江蘇科技大學，2013.

[4]李瑞強．基于ADAMS的多機起重剛柔耦合動力學分析[D].大連：大連理工大學，2016.

[5] 劉鶴，周靜，劉康。基于ADAMS的汽車起重機在不同地面條件下的穩定性分析[J].裝備制造技術, 2018(6):157-160.

[6] 趙春華,陳世軍,張金,等.基于ADAMS多柔性體的塔式起重機動態性能研究[J].先進材料研究,2012,1 673(960):1 504-1 509.

[7] Darina Hroncová，Michal Binda，Patrik ?arga，Franti?ek Ki?ák。基于MSC.ADAMS/View的曲柄滑塊機構運動學分析[J].Procedia Engineering,Volume 48,2012:213-222.