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塔式起重機中的動力學問題演示文稿當前第1頁\共有30頁\編于星期二\5點優(yōu)選塔式起重機中的動力學問題當前第2頁\共有30頁\編于星期二\5點1.塔式起重機的概念簡稱塔機,亦稱塔吊,起源于西歐。用一句話概括就是指:動臂裝在高聳塔身上部的旋轉(zhuǎn)起重機。當前第3頁\共有30頁\編于星期二\5點常見的上回轉(zhuǎn)式塔機構(gòu)造當前第4頁\共有30頁\編于星期二\5點動臂變幅式塔機定義:靠起重臂的俯仰來實現(xiàn)變幅的塔吊。這類塔機能充分發(fā)揮起重臂的有效高度,機構(gòu)簡單。當前第5頁\共有30頁\編于星期二\5點上海中心大廈上的塔機當前第6頁\共有30頁\編于星期二\5點當前第7頁\共有30頁\編于星期二\5點隨著重物起吊,起重機內(nèi)儲存的彈性勢能逐漸增加,在極限大角度下若發(fā)生鋼絲繩斷裂或吊鉤脫落等意外情況,儲存在起重機中的勢能瞬間釋放,起重臂將發(fā)生劇烈反彈。防后傾緩沖裝置用于增加起重臂反彈向后傾覆運動過程中的安全性。對于細長型起重臂,由于其結(jié)構(gòu)柔性大,在突然卸載時,起重臂除受到緩沖器緩沖力作用外,起重臂自身振動產(chǎn)生的慣性力對結(jié)構(gòu)強度的影響不可忽略。當前第8頁\共有30頁\編于星期二\5點動臂塔機的結(jié)構(gòu)圖當前第9頁\共有30頁\編于星期二\5點工作展開圖當前第10頁\共有30頁\編于星期二\5點2.起重機動力學建?,F(xiàn)以細長臂架的動臂塔機為研究對象,建立剛?cè)狁詈系亩囿w動力學模型,對起重臂在大仰角下突然卸載進行仿真分析,研究起重臂與彈簧緩沖器之間作用力的變化規(guī)律,以及起重臂自身劇烈的彈性振動對起重臂結(jié)構(gòu)的影響。剛?cè)狁詈系亩囿w動力學??當前第11頁\共有30頁\編于星期二\5點2.起重機動力學建模某型動臂塔機的工作角度為15°~86°,臂長50m,塔身高15m,最大起重量16t。動臂塔機的起重臂為三角形截面,邊長為1.6m,相對于其50m的臂長,起重臂整體結(jié)構(gòu)呈細長型。與短粗臂架的動臂塔機不同,細長臂架的動臂塔機結(jié)構(gòu)柔性大,受載后結(jié)構(gòu)變形大,結(jié)構(gòu)動態(tài)特性顯著影響起重機受沖擊作用的動力學行為,故需全面考慮起重機各部分的柔性,建立細長型臂架的多柔體動力學模型.1.塔身與臂架建模2.變幅系統(tǒng)建模3.緩沖裝置建模當前第12頁\共有30頁\編于星期二\5點塔機在ADAMS中的動力學模型左圖所示的起重機動力學模型共包含:塔身與地面間的4個固定副,塔身與起重臂間的2個轉(zhuǎn)動副,起重臂與變幅拉桿間的2個球鉸副,緩沖裝置與塔身間的2個固定副,緩沖桿與起重臂間的2個接觸約束。通過各部分間施加約束,形成完整的動臂塔機多體動力學仿真模型。當前第13頁\共有30頁\編于星期二\5點當前第14頁\共有30頁\編于星期二\5點3.多體動力學仿真分析設定塔機瞬時卸載試驗的運動過程:0~50s起重臂的變幅階段,塔機在變幅系統(tǒng)作用下變幅至設定的角度50~60s起重機的加載階段,起重臂被加載不同的載荷;80~80.01s卸載階段,被加載載荷瞬時消失;80~120s起重機動態(tài)響應。現(xiàn)對起重臂加載、卸載過程進行分析,取加載、卸載過程的仿真結(jié)果。起重臂仰角響應緩沖裝置緩沖力響應當前第15頁\共有30頁\編于星期二\5點3.1塔機沖擊響應仿真結(jié)果的分析1)該動臂塔機采用彈簧緩沖裝置,起重臂仰角增大時緩沖器中彈簧的壓縮位移增大,彈簧緩沖力也增大。2)長臂架結(jié)構(gòu)的起重臂具有較明顯的柔性特征,臂架在加載過程中機械臂蓄積較大的能量并產(chǎn)生“后拱”變形,加載后臂根處的仰角有一定的增大,起重臂緩沖力也有增大。3)在瞬時卸載后起重臂架的蓄能釋放加劇起重臂的向后傾覆趨勢,同時由于柔性臂架的內(nèi)部阻尼消耗了蓄能,也加快了起重臂彈性振動的衰減過程。當前第16頁\共有30頁\編于星期二\5點3.2吊載與后傾角、緩沖力之間的

具體關系在3個不同仰角工況下起吊不同載荷后卸載,對動臂塔機的卸載后的動力學行為進行仿真分析。起吊載荷在0~100%額定載荷連續(xù)增加,分別進行動力學仿真計算,得到不同仰角下起吊載荷與后傾相對角度、緩沖力之間的關系。當前第17頁\共有30頁\編于星期二\5點吊載、后傾角度、緩沖力仿真結(jié)果當前第18頁\共有30頁\編于星期二\5點仿真結(jié)果分析1.在指定起重臂仰角下,吊載重量與后傾仰角呈線性增加,且不同仰角對應的起吊載荷變化趨勢接近。2.在指定起重臂仰角下,起重臂起吊載荷與緩沖力間呈線性變化趨勢,不同仰角對應的緩沖力變化趨勢接近。說明對于彈簧緩沖的細長起重臂,在卸載沖擊緩沖過程中系統(tǒng)質(zhì)量M、剛度K及阻尼C均保持恒定,沖擊激勵P與系統(tǒng)振幅成正比例關系,可通過起吊載荷預估彈簧緩沖器緩沖力的大小。當前第19頁\共有30頁\編于星期二\5點4.慣性力對結(jié)構(gòu)強度影響

該起重臂的細長型臂架結(jié)構(gòu)為三角形截面,其上主弦桿為單根弦桿,下主弦桿為雙根弦桿,3根弦桿間由多個腹桿組成桁架結(jié)構(gòu)。為了分析起重臂振動產(chǎn)生的慣性力對結(jié)構(gòu)強度的影響,現(xiàn)對起重臂根部鉸支末端自由進行模態(tài)分析,前4階振動頻率如下表所示。當前第20頁\共有30頁\編于星期二\5點什么是模態(tài)分析?模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性,每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。現(xiàn)在讓我來解釋模態(tài)分析到底是怎樣的一個過程。不涉及太多的技術(shù)方面的知識,用一塊平板的振動模式來簡單地解釋模態(tài)分析。當前第21頁\共有30頁\編于星期二\5點

考慮自由支撐的平板,在平板的一角施加一個常力,由靜力學可知,一個靜態(tài)力會引起平板的某種靜態(tài)變形。但是在這兒我要施加的是一個以正弦方式變化,且頻率固定的振蕩常力。改變此力的振動頻率,但是力的峰值保持不變,僅僅是改變力的振動頻率。同時在平板另一個角點安裝一個加速度傳感器,測量由此激勵力引起的平板響應當前第22頁\共有30頁\編于星期二\5點

現(xiàn)在如果我們測量平板的響應,會注意到平板的響應幅值隨著激勵力的振動頻率的變化而變化。隨著時間的推進,響應幅值在不同的頻率處有增也有減。當我們施加的激勵力的振動頻率越來越接近系統(tǒng)的固有頻率(或者共振頻率)時,響應幅值會越來越大,在激勵力的振動頻率等于系統(tǒng)的共振頻率時達到最大值。想想看,真令人大為驚奇,因為施加的外力峰值始終相同,而僅僅是改變其振動頻率。當前第23頁\共有30頁\編于星期二\5點

時域數(shù)據(jù)提供了非常有用的信息,但是如果用快速傅立葉變換(FFT)將時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域,可以計算出所謂的頻響函數(shù)(FRF)。這個函數(shù)有一些非常有趣的信息值得關注:注意到頻響函數(shù)的峰值出現(xiàn)在系統(tǒng)的共振頻率處,注意到頻響函數(shù)的這些峰出現(xiàn)在觀測到的時域響應信號的幅值達到最大時刻的頻率處。當前第24頁\共有30頁\編于星期二\5點如果我們將頻響函數(shù)疊加在時域波形之上,會發(fā)現(xiàn)時域波形幅值達到最大值時的激勵力振動頻率等于頻響函數(shù)峰值處的頻率。因此可以看出,既可以使用時域信號確定系統(tǒng)的固有頻率,也可以使用頻響函數(shù)確定這些固有頻率。顯然,頻響函數(shù)更易于估計系統(tǒng)的固有頻率。許多人驚奇結(jié)構(gòu)怎么會有這些固有特征,而更讓人驚奇的是在不同的固有頻率處,結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的變形模式也不同,且這些變形模式依賴于激勵力的頻率。當前第25頁\共有30頁\編于星期二\5點我們注意到當激勵頻率在第一階固有頻率處駐留時,平板發(fā)生了第1階彎曲變形,在圖中用藍色表示。在第2階固有頻率處駐留時,平板發(fā)生了第1階扭轉(zhuǎn)變形,在圖中用紅色表示。分別在結(jié)構(gòu)的第3和第4階固有頻率處駐留時,平板發(fā)生了第2階彎曲變形,在圖中用綠色表示,和第2階扭轉(zhuǎn)變形,在圖中用紅紫紅色表示。這些變形模式稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。當前第26頁\共有30頁\編于星期二\5點模態(tài)分析的目的1)求系統(tǒng)的固有頻率和振型2)模態(tài)分析是所有動力學分析類型的最基礎的內(nèi)容。當前第27頁\共有30頁\編于星期二\5點根據(jù)上表分析,起重臂彈性勢能釋放后驅(qū)動起重臂向后作剛體轉(zhuǎn)動的同時附帶起重臂作水平橫擺、軸向彎曲和軸向扭轉(zhuǎn),其第3階模態(tài)見下圖。起重機第三階振動模態(tài)從右圖可以看出,起重臂中部變形最大,起重臂前部慣性力對中部彎曲作用顯著;

從能量轉(zhuǎn)移上看,對細長型起重臂,其低階模態(tài)儲存的能量最大,對卸載沖擊的動力學行為影響最大。當前第28頁\共有30頁\編于星期二\5點現(xiàn)根據(jù)起重機起升性能表上起重臂最大起重力矩工況進行卸載仿真分析,在起重臂上主弦桿上選擇2個特征節(jié)點,即:緩沖區(qū)接觸節(jié)點和起重臂中部節(jié)點,分別提取所選節(jié)點在卸載后的應力響應,并對應力最大值進行歸一化處理。主弦桿兩個特征節(jié)點的應力響應當前第29頁\共有30頁\編于星期二\5點仿真結(jié)果分析

1.在加載前起重臂根部和中部節(jié)點的應力接近,說明起重臂在大仰角狀態(tài)下重力沿起重臂臂體作用分量大,重力對起重臂的彎矩小;

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