全地面起重机组合臂架复合运动的动态特性研究

2018-03-07，，

机械与电子 2018年2期

，，

(沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳 110168)

0 引言

全地面起重机组合臂架结构是典型的柔性多体系统，在实际工作中经常会进行起升、变幅、回转等基本运动之间的复合运动，研究其复合运动的动力学行为对组合臂架的结构设计及优化分析具有现实的意义。目前，众多学者对工程机械柔性臂架系统的动态特性问题都进行了深入的研究，刘杰等[1]针对混凝土泵车臂架结构的动态特性问题，分别建立了臂架的刚性模型与柔性模型，分析结果表明考虑臂架的柔性变形是非常必要的。成凯等[2]利用ANSYS软件建立了履带起重机臂架系统的有限元模型，分析了起重机起臂过程的动态特性。龚苏生、徐长生[3]针对起升动载系数φ2的选取问题，运用ADAMS研究了门座起重机重物起升过程的动态特性。黄毅等[4]为了解决混凝土泵车臂架在回转过程中由于惯性力带来的一系列危害，建立臂架系统刚柔耦合动力学模型，研究了其动力学响应问题。伍俊民等[5]利用虚拟样机技术，基于ADAMS仿真软件对600 t起重船在变幅工况下的动态特性进行了仿真分析。谢正义等[6]通过虚拟样机技术建立有腰绳和无腰绳方案履带起重机臂架系统动力学模型，分析了臂架的变形情况，分析结果表明腰绳可有效减小臂架变形和应力。上述的研究在一定的范围内能有效反应出臂架的动态特性，然而，起重机在工作过程中并非总是处于单一运动状态，往往是起升、变幅、回转三种运动的复合运动，或是其中两种运动的复合运动。因此，以典型全路面起重机组合臂架系统为研究对象，运用APDL语言进行有限元参数化建模，对柔性组合臂架的回转、变幅复合运动的动态特性进行研究，为起重机柔性组合臂架结构的设计计算和安全工作提供必要的技术支持。

1 组合臂架的参数描述

选取全地面起重机的主臂、超起桅杆、变幅副臂的组合臂架结构为分析对象，研究其在变幅和回转复合运动下的瞬态动力学响应，图1为QAY500全地面起重机组合臂架的结构简图。

QAY500全地面起重机组合臂架结构中，伸缩主臂一共有7节，全伸时长度Ls为84 m，基本臂长度为16.2 m，其余第2～7节臂长度均为11.3 m。变幅副臂最大长度Ld为71 m，其中标准节长度为7 m，头部节和根部节都为10.5 m。超起桅杆长度为13.7 m，副臂撑杆长度为14.2 m。在进行瞬态动力学分析中，设置第2～5节臂伸出的长度为臂节长度的92%，6～7节臂伸出长度为46%的臂节长度。回转平台长度为6.0 m，配重、基本臂铰点到回转中心的距离分别为4.8 m和1.6 m。伸缩主臂与水平面的最大仰角α为83°，变幅副臂与水平面的最小仰角θmin和最大仰角θmax分别为2.5°和69.6°，超起桅杆夹角为42°，两副臂撑杆之间的夹角β为48°，副臂与撑杆的夹角γ为90°。组合臂架的最大额定起重量为13.5 t，最大工作幅度R为98 m，其各符号所表示的含义如图1所示。

图1 QAY500组合臂架结构简图

2 QAY500组合臂架的分析模型

QAY500全路面起重机结构件繁多，若是在组合臂架动力学建模时采用实体单元建模，会使得建模过程变得极其复杂，求解的成本也大大增加。因此，在进行组合臂架系统动力学建模时有必要对实际模型进行相应的简化，将组合臂架各构件等效成梁单元，其桁架结构的等效可参考文献[7]中的等效惯性矩法。在进行回转平台建模时，由于回转平台刚度远大于组合臂架的刚度，其几何尺寸相对整机而言也较小，故将回转平台等效成刚体。对实体模型进行相关的简化之后，不仅降低了建模的难度，还使得在后处理中提取信息更加方便[8]。

在单元的选择方面，将格构式构件按照文献[7]的方法进行惯性矩等效后，按实腹式梁单元进行处理，在建模时采用BEAM188梁单元。该梁单元考虑了剪切变形的影响，可以用来模拟细长到中等粗短的梁，同时该单元也可以解决非线性以及大角度转动问题。钢丝绳和拉杆在实际工作过程中都是单向受拉状态，在进行动力学分析时可以选择杆单元LINK180来进行模拟。该单元是两节点三自由度的轴向拉伸-压缩单元，不考虑单元的弯曲，但是大变形以及大应变等被考虑在内。组合臂架的连接以及拉索与平台等处的连接采用铰接的方式，本文中选取MPC184单元来进行模拟铰接。值得注意的是MPC184单元实际上是一族单元的集合体，它可以模拟X轴或者Z轴的转动副单元和万向铰单元以及刚性梁、刚性杆等。另外，在对组合臂架复合运动动态特性分析时，变幅副臂最小额定起重量为2.6 t，在回转平台有质量为180 t的配重，这些重物是在三维空间内运动，具有6个自由度且自身的质量不可忽略，因此使用MASS21单元模拟吊重和配重。经过简化后得到组合臂架系统有限元分析模型如图2所示。

图2 QAY500组合臂架的分析模型

由图2可知，组合臂架系统的分析模型有23个节点、28个单元组成，组合臂架中的钢丝绳、拉杆、油缸均采用杆单元模拟，其他部件采用梁单元模拟。组合臂架有限元分析模型中各单元的截面属性如表2所示。此外，模型中钢丝绳的弹性模量为108 GPa，钢材的弹性模量为210 GPa，钢材密度为7 800 kg/m3。组合臂架的单元参数如表1所示。

APDL语言是有限元软件ANSYS的底层操作，提供了一般高级语言的参数、数组、表达式与函数、分支与循环等功能，这些功能扩展了该软件的分析能力。不仅可以通过它完成对研究对象的有限元分析工作，还可以通过使用各种流程控制命令(如：*DO循环语句)简化建模过程等工作。APDL建模是ANSYS软件建模方法之一，相比较于GUI操作，其具有避免重复操作、便于保存和携带、不受ANSYS软件的版本限制等优点。它的缺点有：命令流的种类繁多且难以记忆，对于复杂且没有规律的模型建立比较困难；APDL建模时需要有一定的程序语言基础。由于本文简化后的模型大多数都是由梁杆结构组成，涉及的单元种类较少，且整个模型的建立有规律可寻。因此，选用APDL的方式进行有限元模型的建立。

表1 组合臂架的单元参数

3 仿真结果分析

起重机在实际工作过程中往往进行变幅、回转、起升等基本运动之间的组合运动，经观察发现，其回转与带载变幅同时进行出现频次较多，大多数情况都是在变幅稳定之后再进行回转运动。在组合臂架算例分析中，0～10 s仅进行带载变幅，变幅速度为0.15 m/s；在10 s之后同时进行变幅与回转两种运动，回转速度是0.2 r/min，变幅速度保持不变。

分别采用ANSYS和ADAMS对全地面起重机组合臂架复合运动的动态特性进行仿真分析，分析结果如图3～12所示，图中解为ANSYS仿真结果，刚体解为ADAMS仿真结果。需要说明的是仿真过程中没有考虑系统的初始变形和阻尼的影响，所以位移曲线的初始值都是从0开始，位移和速度曲线也没有出现减弱的趋势。

图3、4为变幅副臂吊点处(节点17)变幅平面内水平位移(Y方向)和垂直位移(Z方向)，图5、6为变幅副臂吊点处X轴和Z轴的角位移。从图3～6中的刚体位移和柔性位移曲线对比可以看出，不论是变幅副臂吊点处水平位移、垂直位移，还是变幅副臂吊点处绕X轴的角位移、绕Z轴的角位移，它们的弹性解都是在刚体解的附近上下波动，节点17位移和转角的弹性解都是在刚体解的附近上下波动。同时，由于臂架的扭转刚度小于臂架的弯曲刚度，因此，从图5和图6可以看，组合臂架X轴角位移的波动周期要小于Z轴角位移的波动周期。

图3 变幅副臂吊点处水平位移

图4 变幅副臂吊点处垂直位移

图7、8为变幅副臂吊点处(节点17)变幅平面内水平(Y方向)和垂直速度(Z方向)，图9、10分别为变幅副臂吊点处X轴和Z轴的角速度。从图7～10的曲线变化规律可以看出，平移速度与转动速度的弹性解都是在刚性解上下波动的，同时，图9～10回转速度曲线存在明显的高频振动现象。

图11和图12给出了复合运动动力学分析过程中回转中心点处水平支反力和垂直支反力的变化情况，本文瞬态动力学分析过程中只施加了起升载荷，所以图11能够真实地反映出组合臂架同时进行变幅与回转过程中惯性力的变化情况。QAY500组合臂架的自重与吊重之和为248 t，图12中的垂直支反力围绕在2 430.4 kN附近波动，最大垂直惯性力2 626.4 kN，比静力分析时的支反力值2 430.4 kN大10%左右，描述了带载变幅起动过程中惯性力的变化情况。