基于Ansys柔性附着动臂塔式起重机起升激励载荷响应分析

１ 当 ｔ∈ ［ ，ｔ ］ 时 ， 由 已 知 条 件 得 ： ） ０ Ｆ ０ ０， （ ｍ ，代 人式 （ ）得 ： （ ）＝ Ｆ ｔ） ｇ １
图 １ 柔性附着动臂塔机有限元模型
Ｆ １ （）＝
得：
ｔ ０ｔ］ ∈［ ， ‘
（） ２
２ 当 ｔ ［ ： 时 ，由 牛 顿 第 二 定 律 可 ） ∈ ｔ，ｔ］
－
２
柏∞ ∞ ０
６
代 入式 （ ）得 ： １
时 间／ ｓ
图 ４ 吊点处 Ｙ向位移响应曲线
） ＝
一
＋ｍ ∈［１ｔ］ ｇ －， ｔ ２
（） ８
经 推导 ，得 到瞬 态起升 载荷 与时 间 的关 系式 ：
ｇ 暑
『
￡ ｏ＇ ］ ∈Ｅ ｆ １
＿一一ｔ ｉｔ（１ 一 Ｉ。ｔ ¨ ） ＋ （ ２ … ） ｔ —
吊重离 地 瞬 间 开 始 ，到 起 吊重 物 上 升 速 度 到额 定
扭转 刚度的空间梁单元 Ｂ ａ １８进行建模 。质量 ｅｍ ８
单 元选用 了具有 １节 点 ６ 自由度 的 ３ Ｍａｓ１ （ Ｄ ｓ ２ 沿
起 升速 度 为 止 ，在 此 过 程 中系 统 中所 有 质 量 都 参
与 运动 ，且 系统处 于 自由振动 状态 ［ 。 ４ ］
将式 （ ）代人式 （ ） ４ ６ ，可得 ：
《 起重运输机械》 ２ １ （Ｏ ０２ １ ）
１ 一 ４
２ ０ ０
（２ ＝ ｔ） 联立 方程 可 以解 得 ：
＋
—
ｇ
（） ７
—
Ｏ
ｍ
２ Ｏ ０
ｇ
一
２ ｍｙ
一 ’
２ｍｖ ｔ
，）
－
ｍｇ 一
一
－
－ ０ ４ ０ ０ ０ ８０ ０ １ ０ ０ ０ １２ ０ ０ ｌ ０ ０ ４ １６ ０ ０
初始 变至 最大过 程 中 ，近 似 为 与时 间 ｔ 正 比。因 成 此 ，可用 线 性 函 数 来 表 示 瞬 态 激 振载 荷 时 间历 程 曲线 ，具 体求解 分析 过程 如下 ：
建立如图 １ 、图 ２ 所示的塔身与 吊臂成 ４ 。 ５ 角布置 的柔 性 附着动 臂塔机 有 限元模 型 ］ 。
Ｙ 向的平动及绕 、Ｙ 轴的转动 ） 、 、 ，能体现 三维结 构 的 质 量 集 中。 吊臂 拉 索 和 附 着 钢 丝 绳 采
、
据 此可知 ，柔 性 附着 动 臂 塔 机 在 起 升 过 程 中
用 Ｌｎ １ ｉｋ０单元 模 拟 ，Ｌｎ１ ｉｋ０单元 是 一 个 轴 向仅 受
拉或仅受压 的杆单元。使用 只受拉选 项时 ，如果 单元 受压 ，刚度就 消 失 ，以 此来 模 拟 缆 索 的松 弛 。
／３ （ｇ钢 丝绳） — ＼ 附 着１ （号 钢丝 ｛ １
／ ３ 着
（２ 。 ｔ）＝ 。
因此 ，设钢 丝绳所 受 拉力 为 ： （）＝ａ ＋ ｔ ０， ］ ｔ ｔ ／ ∈［ ｔ ３ １
为 Ｎ。分 两个 阶段进 行分 析 ：
（） １
式 中 ：Ｏ ｔ 、卢待定 系数 ， 单位 为 Ｎ ｓ 单 位 ／，
Ａｂｔａｔ ｓ ｃ ：Ｗｉ ｅｉｌ ａ ａｈ ｅ ｔｕ ｉｇｔ ｅ ｒｎ ｓａｒｓａｃ ｂｅｔ ｈ ｎ ｅｅｅ ｎ ｍ ｄ ｌ ｆ ｈ ｔ ｃ ｒ ｔ ａｆ ｘｂ ｔ ｃｍ ｎ ｆｎ ｗ ｒ ａｅａ ｅｒｈｏｊｃ，ｔｅｆ ｉ ｌ ｈ ｌ ｅ ｔ ｌｆ ｏ ｃ ｅ ｉｔ ｍｅｔ ｏｅ ｏ ｅｓｕ － ｔ ｒ
０ 前 言
动臂塔 式 起 重 机 （ 以下 简 称 动 臂 塔 机 ） 是 一
柔性 附着 塔 机 的使 用 越 来 越 广 泛 ，针 对 柔 性 附着
塔 机 的振 动 的研 究 就 更 为 重 要 。本 文 对 柔 性 附 着
种在 户外 工 作 的大 型机 械 设 备 ，是 消 化 吸 收 引 进 国外 技术 结 合 国 内经 验设 计 制 造 的上 回转 自升 式
座应 与 塔 身 主 弦 杆 连 接 ，此 处 将 其 简 化 ，采 用 全 耦合 方式 连接 。
附着塔 机 振 动 问题 的相 关 研 究 少 见 报 道 ，而 随 着
国家十一五科技支撑计划项 目资助：２ ０ Ｂ Ｊ２ ０ ０６ Ａ １ Ｂ ３
《 起重运输机械》 ２ １ （０ ０２ １ ）
塔 机本 身 及 其 构 件 产 生 振 动 。 目前 国 内 针 对 柔 性
构 、配 重等 用 质 量 单 元 进 行 了简 化 处 理 。对 于 吊 臂 拉索 和 附着 钢 丝绳用 ３ Ｄ杆单 元模 拟处 理 。用 ２ ］ 多段 梁单 元 组 成 环 形 梁来 模 拟 回转 支 承装 置 ，其 与 回转 支 承 部 件 具 有 相 同 的质 量 特 性 。 回转 下 支
设 ：ｍ为货物的质量 ；Ｆ为起升钢丝绳所受拉 力 ； 。 额定 起 升 速度 ； （ ） 为货 物 在 ｔ 为 时刻 的 起升 速度 ；口为 货 物起 升加 速 度 。 在 ｔ 时 ，货 ＝ｔ
物离 地 ，即 Ｆ＝ｍ ｇ，此 时货 物静 止 ，即 （， ｔ）＝０ ； 在 ｔ ：时 ，货 物 起 升 速 度 达 到 额 定 速 度 ， 即 ＝ｔ
ｍ ａ＝Ｆ—ｍ ｇ （） ３
代入 式 （ ） 得 ： １
ｎ ｇ （ ｇ ｔ［ｔ ４ ＝ ＝ 一 ｔ２ ） 一 ＋ ） Ｅｌ］（ ，
又 因为 ，在 ｔ ，加速度 ａ＝ ， ＝ｔ时 ０
因此 ，由式 （ ） 可 以推 出 ，ｔ ｔ 时 ， ３ ＝。
图 ２ 柔性附着的布置方式
ｏ １ ／ ＝ｍ ｔ＋ ｔ ３ ｇ
（） ５
又 由速度 与加速 度 的关系 可得 ：
２ 瞬 态 载 荷 的 确 定
在对柔 性 附 着 动 臂 塔 机 进 行 动 态 分 析 的 过 程
一
：
Ｊｄ ＝ ｔ 一 ｔ Ｊ口 （） Ｊ ￡ （ ） （ ）＝Ｊ ｄ 口 ２ １ ６
ｔ ｌ
度为 ７８０ｋ／ 。 由于塔 机 大 多数 杆 件 除 主要 承 ０ ｇｍ 受轴 向 力 外 还 承 受 如 弯 矩 、扭 矩 、剪 切 等 内力 ， 为提高 建 模 的准 确 性 ，选 用 了考 虑 拉 压 、弯 曲 和
弛状态 到受 力绷 紧 ，再 到起 吊重 物 瞬时 离 地 为 止 。 整 个过 程 中 ，货 物 始 终 处 于 静 止 状 态 ；然 后 是从
括 电气部 分 ， 以及 驾 驶 室 、 吊具 等 。建 立 正 确 可
８。 ４ 之间 变动 ，非 常适 合 密集 及 狭 窄 地 区施 工 。
当塔 机 的高 度 超 过 其 独 立 高 度 时 ，就 必 须 采 用 附
着装置对塔身进行加固，使塔机附着在建筑物上。
塔机 的 附着 装 置 有 刚性 附着 和柔 性 附着 两 种 ，当 受 到 现场 施 工 条 件 等 客 观 因素 限制 时 ，可 采 用 柔 性 附 着 ，例 如 在 冷 却 塔 的 施 工 中… ，其 纵 剖 面 为 双 曲线 ，半 径 较 大 且 随 着 高 度 的不 同 而 变 化 ，如 采 用 一般 的刚 性 附着 ，不 仅会 大 大 增 加设 备 成 本 ， 而且 安 装 复 杂 ，对 冷 却 塔 壁 也 会 造 成 较 大 影 响 ，
短时间内会产 生随时间变化的激励 载荷 ，所 以对 动臂塔机及其构 件会 产生明显的瞬态 冲击 ，随之 引起 动 态 响应 。在 起 升 的过 程 中起 升 钢 丝 绳 所 受 瞬态 力 可用 线 性 函数 来 表 示 ；而 在 货 物 离 地 后 起 升 这一过 程 ，起 升 钢 丝 绳所 承 受 的 最 大 拉 力 Ｆ 由
元分 析 模 型 。在 建 模 过 程 中 将 起 升 机 构 、变 幅 机
因此 ，冷却塔施工所用塔机通 常将塔 身用柔性 附 着方 式 附着 于 冷 却 塔 壁 上 。柔 性 附 着 式 动 臂 塔 机 由于其特殊 的工作性质 以及工作环境 ，在其工作 过 程 中会 频 繁 启 、制 动 。在 此 过 程 中 ，动臂 塔 机 的结 构 自身 将 会 受 到 短 时 间 的激 励 载 荷 ，使 动 臂
一
１ — ３
塔 机各 部 分 结 构 件 的 材 料 属 性 均 选 用 钢材 的 属性 ，即 弹性模 量 为 ２ ０ Ｇ ａ １ Ｐ ，泊 松 比为 ０ ３ ． ，密
中 ，根 据 动臂 塔 机 起 升 过 程 吊重 的状 态 ，将 其 分
为两个 时 间 段 进 行 分 析 ：首 先 是 起 升 钢 丝 绳 由松
塔 式起 重机 。动臂 塔机 由于平 衡 短 ，臂架 可在 １ 。 ５
一
动臂塔机在起升激 励载荷 的作用下进行瞬态响应 分 析 ，为进一 步研究 打 下 了基 础 。
１ 柔性 附着动臂塔机有 限元模型建立
动 臂 塔 机 结 构 非 常 复 杂 ，其 构 成 包 括 塔 身 、 吊臂 、 回转 以及 平 衡 臂 的 钢 结 构 框 架 ，机 械 部 分 有起 升 机 构 、变 幅 机 构 、 回转 机 构 等 ，另 外 还 包
ｆ ｒｓ ｃ ｅ ｓ ｅ ｄ ｅ ｅ ｅ ｒｈ ｏ ｕ ｃ ｓ ｉ ｅ ｐ ｒ ｓ ａｃ ． ｖ Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｆ ｘｂ ｅ ａｔ ｃ ｍｅ ｔｌｆ ｎ ｏ ｅ ｒ ｎ ； ｌ ｔ ｇ ｅ ｃｔ ｔ ｎ ｌ ａ ｙ ｒ ｓ ｌ ｉ ｌ ｔ ｈ ｎ ｆ ｇ ｔ ｗ ｒｃ ａ ｅ ｉ ｉ ｘ ｉ ｉ ｄ； ｔ ｎ ｉｎ ｅ ｐ ｎ ｅ ａ ａｙ ｉ ｅ ａ ｕｉ ｆｎ ａｏ ｏ ｒ ｓｅ ｔｒ ｓ ｏ ｓ ｎ ｓ ａ ｌ ｓ
ｔ ｒ ｓ ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ， ａ ｄ ｔａ ｓｅ ｔｒ ｓ ｏ ｓ ｎ ｌ ｓｓ ｕ ｄ ｒｔ ｅｌ ｔ ｇ ｅ ｃｔｔ ｎ ｌ ａ ｓｃ ｎ ｕ ｔｄ， ｗ ｉｈ ｂ ｉ ｓ ｆｕ ｄ ｔ ｎ ｕ ｅ ｉ ｓａ ｌ ｅ ｓ ｎ ｒ ｎ ｉ ｎ ｅ ｐ ｎ ｅ ａ ａｙ ｉ ｎ ｅ ｉ ｉ ｘ ｉ ｉ ｏ ｄ ｉ ｏ ｄ ｃｅ ｈ ｆｎ ａｏ ｈ ｃ ｕｌ ｏ ｎ ａｉ ｄ ｏ