悬链线理论在全地面起重机超起装置中的应用

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

The application of steel wire catenary theory in all-terrain crane superlift deviceLIU M u-nan.LU Jin-tian.LIU Hui-rain大型全地面起重机的超起装置能大幅提升吊臂的性能，同时能提高吊臂的刚度，减小吊臂工作时的挠度和旁弯，提高吊重作业的效率和安全性。

在超起装置中，超起钢丝绳的预紧力对超起发挥正常作用至关重要 ，同时直接影响吊臂的性能∝制超起钢丝绳的拉力使吊臂与超起装置的受力状态处于相对平衡的分配，从而确保在吊重过程中吊臂的应力控制在允许范围内，是 目前超起技术的关键点与难点。本文应用钢丝绳 悬链线”模型理论 J，结合ADAMS刚柔耦合动力学仿真技术 ，以SAC3000全地面起重机吊臂为研究对象，研究超起钢丝绳在不同预紧力情况下，吊臂应力分布情况以及变形量等动力学特性，为超起钢丝绳预紧力控制与可靠性设计提供相关依据。

l 钢丝绳悬链线模型理论1.1 超起钢丝绳模型大型全地面起重机的超起结构如图1所示，超起钢丝绳-端固定于超起桅杆上，绕过臂头滑轮A和桅杆滑轮B，最后被固定在桅杆上的超起卷扬以预紧力 紧。起吊重物前，超起卷扬用预紧力 紧钢丝绳后被锁定，以保证起吊后超起钢丝绳长度保持不变。超起钢丝绳受到白重G的影响，呈现向下挠曲的状态，并且在不同预紧力下其挠曲程度不同，72 建筑机，佻 2013，4(E半月刊导致悬挂于AB之间的钢丝绳长度不同。而吊重前钢丝绳长度对吊重后吊臂的挠度起关键作用，并直接影响吊臂的挠度和应力状态。理论上钢丝绳预拉越紧，吊重后吊臂的挠度和应力越孝性能更佳，但拉力过大可能引起吊臂反翘，当超起钢丝绳所受载荷加大，其稳定性和可靠性降低。故在实际应用中，要根据具体情况选取-个合适的预紧力F。

i.伸缩臂 2.变幅油缸 3.超起桅杆 4.超起后拉板 5.超起滑轮B 6.超起钢丝绳 7.臂头滑轮A图1 超起结构示意图[收稿日期]2012-09-10[通讯地址]陆进添，湖南省长沙市金洲新区金洲大道西168号三-汽车起重机械有限公司1.2 悬链线模型理论钢丝绳受力问题属于非线性问题 ，其精确受力计算相当复杂，-般在分析时需满足以下假定条件 J： (1)绝对的柔性体，即其任意截面只承受轴向拉力，不受任何弯矩 ； (2)材料特性符合胡克定律，不考虑泊松比效应； (3)钢丝绳为等截面和等容重，自重载荷沿弧长均匀分布。

悬链线模型是指处处可挠且线密度均匀的悬挂绳索或链 ，在均匀重力场的作用下，平衡静止时所形成的重力曲线模型 (抛物线假设 )，如图2所示 ，悬链线两点之间水平距离为f，高度之差为h。

f- - r Jh / - 图2 悬链线模型示意图Vl图3 悬链线-小微段示意图由∑ 0，有cosfl cos(d )Ho其中 为常数，钢丝绳的水平张力。

义 2 ld 1 Ho tan∥Hod(tan J -d 2ydx (3)把 (3)代人 (2)，得： 上 (4)Ho COSa -对 (4)积分得石 L x CIx (5) ---二-- L L r 、 2H COS t 、J边界条件 0，)，0；xl，y ；得 - ( -，)了h (62H )COS 0 、 ， 、由 Irk可 得 -Yxtanoe· (，- ) (7)Jt-/0由公式 (7)可以计算 出在给定的预紧力F下，钢丝绳沿 方向上任意点处的挠度 。根据挠度方程就可以在ADAMSNI]柔耦合动力学模型中建出给定预紧力下的悬链线钢丝绳模型，这将可以很好的模拟钢丝绳在吊重前的形态，以及分析吊重后的受力和变形情况。

2 超起动力学仿真模型2.1 吊臂与超起刚柔耦合模型建立在建立SAC3000全地面起重机吊臂的仿真模型中，各节 吊臂以及超起支架为柔性体 ，各油缸为刚性体。首先在PATRAN中建立各柔性体的有限元网格模型，并生成MNF模态中性文件，再导人ADAMS中建立各个部件的位置和约束关系。由于起重臂各节臂不同的伸缩比例以及不同变幅仰角，形成了各个不同的工况，为了方便实际应用，把动力学模型通过宏命令编写，可以设置不同的参数如伸缩方式、臂架仰角、起重量、倍率以及超起展开角等，可很快地得到需要仿真的工况，模型参数化设置界面如图4所示。

CONSTRUCTION MACHINERY 2013 4 73专题研究l s cH图4 模型参数化设置界面通过在模型中提取两端点的位置以及它们之间的相对距离等数值，结合悬链线方程 (7)，可以计算超起钢丝绳在任意位置处的挠度。把两端点之间的钢丝绳分成20段，每-段端点的位置由方程确定，在每-个位置点建-个质量点，数值为钢丝绳自重的1/20，相邻质量点之间用弹簧连接。这样建立的模型既考虑了钢丝绳在自重下挠度引起对其长度的影响，又考虑了拉力下其材料弹性变形对长度的影响，可更准确地仿真模拟实际情况。弹簧的预紧力即为超起钢丝绳预紧力F，刚度由钢丝绳参数特性转换确定。弹簧的阻尼不同也会对整个钢丝绳的动力特性产生不同的影响，图5所示为不同弹簧阻尼下钢丝绳某-点随时间的位移变化过程。阻尼太小，钢丝绳运动不易收敛，阻尼太大，收敛的时间太长。经过不同数值的对比，确定模型选认适的弹簧阻尼为10 。图6为吊臂全伸工况下不同预紧力吓 的超起钢丝绳形态图。

1E半 0SAC3000l- 阻尼l0O0 l 阳尼-i0000 Il～阻尼： 50000 ll阻尼： 1oooq /厂、、/ 、 ，-7 、 / - /-- -- ：， - l / / / /-./ /-·， - /·/， / /。

时间/s图5 不同阻尼对钢丝绳运动影响的曲线74 建筑机械 2013，4( 半月刊图6 超起钢丝绳形态示意图2.2 动力学仿真分析根据起重性能工况表 ，选其中-种T况进行动力学仿真，得到吊重后在不同预紧力下钢丝绳的张紧力以及各节臂的最大应力情况。表I为仿真T况参数表。

表1 仿真工况参数表吊臂 幅度 吊重 预紧力I 预紧力2 预紧力3状态 Im /t /kN ，kN ，l(N全伸 50 8.4 l7-4 20.5 23.9由于钢丝绳是由很多段的弹簧组成 ，所组成的系统在加载过程表现出较大的波动性，为了减小这种波动，使得吊重过程更加平缓，除了设置合适的阻尼外，还特意将加载递增过程降慢。通过仿真计算，分别得到了钢丝绳拉力 、各节臂的关键部位应力等的变化曲线。图7是在某预紧力下钢丝绳拉力的变化曲线 ，图8是在某预紧力下各节臂关键位置的应力变化曲线。

3 仿真与试验结果对比分析选择表i工况3个初始预紧力进行动力学仿真 ，并与相同T况下的试验测试值进行对 比，表2为吊重后钢丝绳拉力仿真值与试验值之间的误差。

2.5×I2.0×11.5x1spning- S Tota l～ Frce- On- Paint ag11 .、.，1. 、1 ，. 八/八，、 M，、-、-～ H ， 广、- 、Ju V - T- l，II I。

. I /1JII f l J .Jy6 l I Jllr I l250200150呈1O0500图7 钢丝绳 (双绳 )拉力变化曲线SAC3000L 7ubl- -STRESS.node- -211 1 j97VON M SESZ lub2 STRESS.node 133 03 VON SES曲 3 STRESS. )ae-152318-V0N-H SES ，、、 ，、、r， -x. 、f ，-。 -- 、、～1-- ]Jb4 STRESS. )de214439VONM SES蚶 j L Iub5STRES.node-248446-V0N-H SES Z 6STRESS.node- -102986- -VON MI SESZ hub7- -STRESS.node- -49346- -VON- MIS ESj 晒越 l 众风厶 。

蕊 z m-- kA 。～ l ，t，、产、，-、 /： L 0 、/ 严 。 -， 、、、 .i～ l f I 、 翻 - .4，p - ， 、， .，-. ，- 、～ -、～ ，、A-u 八腴 、 、 / ， ，、 ，- in i J i ～20时间/s图8 各节臂关键位置应力变化曲线表2 吊重后钢丝绳拉力仿真与试验值误差预紧力情况 1 2 3误差/% 4I2 3.5 4.1选择表1工况的预紧力23.9kN进行仿真，提取吊重后各节臂关键点的应力值，并与物理样机同工况下试验测试值进行对比，表3为各节臂关键点应力仿真值与试验值之间的误差。

从对比结果可以看出，不同预紧力情况下，钢丝绳吊重后的张紧力是不-样的，且其数值与实际试验测试值对比相当吻合，证明钢丝绳悬链线理40论在整个刚柔耦合模型中起了良好的作用，使得仿真模型更加接近实际样机，为研究超起预紧力对吊臂的影响提供了基赐工具。

表3 关键位置仿真值与试验值之间应力误差各节臂下搭接处应力值/MPa项 目基本臂 5节臂 6节臂 7节臂 7节臂头试验值 183 32 80 120 180仿真值 176 30 89 135 190误差 -3.83 -6.25 11.25 12.50 5.56(下转第80页 )CONSTRUCTION MACHINERY 2013.4 75专题研究I s cH807O6O乓 504030撰 2010O时间 t/s图9 混联式挖掘机油耗曲线4 结论(1)根据混合动力液压挖掘机特点和工况，把其分成两层进行能量管理策略，划分了具体的子模式及各子模式下各动力元件的T作状态。

(2)对液压挖掘机动力部分的主要元件进行数学建模，通过SimulationX软件建立仿真模型，分析了3种挖掘工况下其对应驱动模式下发动机的工作情况 ，结果稳定性和燃油经济性有了明显改善。

(3)仿真结果表明，混合动力液压挖掘机的多层次模式结构与传统液压挖掘机动力系统比较，能有效地改善发动机的平稳性，使其更接近经济T作线，并且燃油消耗量明显减少。