QTK16型快架塔塔身连杆机构运动分析

李 强，王 进，张家庆，田春伟，鲍会丽LI Qiang, WANG Jin, ZHANG Jia-qing, TIAN Chun-wei, BAO Hui-li（.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 70064；.中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000）

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QTK16型快架塔塔身连杆机构运动分析

李 强1，王 进1，张家庆1，田春伟1，鲍会丽2
LI Qiang, WANG Jin, ZHANG Jia-qing, TIAN Chun-wei, BAO Hui-li
（1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000）

[摘 要]基于杆组法对QTK16型快架塔塔身连杆机构进行运动分析，首先对塔身连杆机构进行结构分析，将机构分解成原动件组和基本杆组，然后提出了对快架塔塔身连杆机构运动分析的流程。运用ADAMS软件对塔身折叠运动过程作运动学仿真，结果表明塔身主要结构件在运动起始和结束阶段速度波动较大，其余阶段速度运动平稳。塔身研究结论对同类型快架塔机设计具有指导意义。

[关键词]快架塔；塔身；连杆机构；运动分析；杆组法

快速架设塔式起重机（以下简称快架塔）是近年来国内兴起的一种新型起重设备，因其具有转场方便、架设迅速、整机折叠后体积小等优点收到各方广泛关注。快架塔利用自身机构对臂架和塔身进行折叠，折叠后整机尺寸变得特别小，适合于各个工地上来回调度使用。快架塔的塔身连杆机构设计新颖，依靠布置在塔身上的液压连杆机构就可完成自身折叠。塔身连杆机构运动过程复杂，因此对塔身连杆机构进行运动分析很有必要。本文基于杆组法对QTK16型快架塔塔身连杆机构进行运动分析，分析结果对同类型的快架塔机设计具有一定理论意义。

1 塔身连杆机构结构分析

1.1 塔身连杆机构结构简介

图1是QTK16型快架塔架设完成时的机构运动简图，塔身连杆机构由下塔身、油缸、推杆1、推杆2、外塔身、塔身连杆、机架等8个构件构成 。从图上可以看出塔身连杆机构是包含液压油缸的复杂平面连杆机构。由平面自由度计算公式可得机构自由度为一个，即液压缸筒和活塞杆间的移动运动，因此该机构具有确定的运动规律。随着油缸的收缩，带动推杆1，推杆2运动。接着下塔身绕铰点A顺时针做旋转运动，同时外塔身绕铰点E相对下塔身作逆时钟旋转，最后整个塔身折叠，并水平地放置在机架上。塔身折叠过程的状态如图2，塔身最后完全折叠的状态如图3所示。

图1 塔身机构运动简图(立塔状态)

图2 塔身折叠过程状态图

图3 塔身完全折叠状态

1.2 塔身连杆机构结构分析

按照阿苏尔杆组理论，机构可以分为机架、原动件、杆组等三部分，其中原动件的自由度数等于机构自由度，杆组自由度为零，杆组依次叠加到原动件上。由于液压连杆机构中原动件活塞杆3不与机架相连，因此不能用阿苏尔杆组理论直接对液压连杆机构划分。文献1利用理论力学的办法将液压气动机构转化为具有可变长度杆的杆组，以简化运动分析，但杆件具有可变长度，同样不能调用现有杆组子程序。文献2认为液压连杆机构具有机构的一个自由度，是机构的原动件，并其定义为原动杆组，在作用分析时缸体和活塞杆之间的运动按移动副处理。这里的液压油缸运动可以调用RPRⅡ即杆组子程序，使用方便。因此，本文按照文献2的方法将液压连杆机构分为原动件组，并对机构进行拆分。将机构拆分为原动件组2-3-4，Ⅱ级杆组4-5，Ⅱ级杆组6-7，机架8与单杆1,因此，该塔身平面连杆机构为Ⅱ级机构。

2 塔身连杆机构运动分析

2.1 塔身连杆机构运动分析流程

连杆机构的运动分析是指在已知原动件的运动规律前提下，求解其他活动构件的运动参数，包括角位移、角速度、角加速度等，同时求解构件上某点的位置、速度、加速度。连杆机构运动分析为动力学分析及机构优化提供前期理论支撑。由快架塔塔身塔身折叠状态图2可以看出，原动件组是连接于杆1上的，而杆1绕铰点A转动。即原动件组上点D的运动是建立在杆1的牵连运动和缸筒和活塞杆之间的相对运动的基础上的。因此，在建立机构运动学模型时先假设原动件组外副B、C上具有确定的运动。依次为基础导出铰点D和构件4的运动参数。从而建立杆1输入参数和油缸之间相对运动参数间的关系。该过程的运动分析流程如图4所示。

图4 连杆运动分析流程一

在导出杆1与杆5、D点间运动参数关系后，就可以用常规的杆组法求解塔身连杆机构了。该过程的分析流程如图5所示。

图5 连杆运动分析流程二

2.2 运动仿真结果分析

利用ADAMS软件对QTK16型快架塔塔身折叠过程进行运动仿真分析。从外塔身的仿真结果可看出在折叠运动的起始和结束运动阶段，加速度较大。其中在运动结束处加速度值达6.56mm/s2。在其它时段运动平稳，速度较大，基本保持在80mm/s左右。从下塔身的运动仿真结果看,下塔身运动过程速度较小，同时在运动的起始和结束处存在一定加速度，其中结束阶段加速度为3mm/s2，其余时段下塔身速度保持在30mm/s左右水平。通过仿真结果可以得出结论，在塔身折叠运动过程，塔身主要结构件在运动起始和结束阶段速度波动较大，其余阶段速度运动平稳，因此可以通过延长塔身油缸启动和停止时间已达到减少运动冲击的目的。

3 结 论

本文基于杆组法对快架塔塔身连杆机构进行了运动分析，利用杆组理论对机构进行了拆分，认为此类复杂液压连杆机构可以分为原动件组和基本杆组。接着，对相应杆组进行运动学建模。针对快架塔塔身油缸机构并不与机架相连而是连接于摇杆1上的特殊情况，提出了先假设摇杆1运动情况已知情况下，推导出油缸相对运动参数和杆1运动参数之间关系，从而使得此类复杂液压连杆机构可以用成熟的杆组解法完成运动分析。在此基础上提出了运动分析流程,研究的结论为快架塔连杆机构动力学分析及机构优化设计提供理论依据。

[参考文献]

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[2] 曹惟庆．连杆机构的分析与综合[M]．北京：科学出版社，2002．

[3] 詹鹏举．液压气动复杂连杆机构结构分析与运动分析[J]．昆明工学院学报，1988，13（1）：56-63．

[4] 师忠秀，綦明正，程 强．平面连杆机构的运动分析及仿真[J]．青岛大学学报，2003，18（4）：22-26．

（编辑 贾泽辉）

［基金项目］“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAJ02B04)

［中图分类号］TH213.3

［文献标识码］B

［文章编号］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