快架塔式起重機起重臂折疊過程動力學分析

田春偉，王 進，馬軍星，李志國，鮑會麗，楊國棟

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.中國建筑科學研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

快架塔式起重機起重臂折疊過程動力學分析

田春偉1，王 進1，馬軍星1，李志國2，鮑會麗2，楊國棟2

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.中國建筑科學研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

[摘 要]起重臂折疊過程性能參數的研究對快架塔的設計具有重要的意義。本文利用Pro/E和ADAMS兩個軟件共同對快架塔建立了動力學模型，其中鋼絲繩的建模采用了cable工具建模新方法。并對其折疊過程的仿真結果進行了分析研究，為快架塔起重臂的結構設計和優化提供了重要的參考價值。

[關鍵詞]快架塔式起重機；起重臂；動力學分析

快速架設塔式起重機（簡稱快架塔）是一種能夠適應狹小空間作業的起重設備，因為它的整機折疊起來可以收縮至很小的尺寸，能夠靈活的穿梭于各施工場地。更重要的是其自行架設功能，這個功能不但節省人力物力，而且提高了架設和拆卸的效率。QTK16就是在此基礎上設計的一種新型的快架塔,在QTK16快架塔起重臂的設計過程中，不僅要保證起重臂在工作狀態下滿足各工況的負載要求，以及在折疊和展開狀態下的外形要求，而且要保證折疊和展開過程中運動平穩、碰撞沖擊小、定位準確、安全可靠。因此對QTK16快架塔起重臂的折疊過程進行動力學分析，對其結構的設計以及優化具有非常重要的意義。

1 快架塔的結構與工作原理

1.1 結構形式

QTK16是一款設計新穎、結構巧妙的快架塔，起重臂可以自行折疊，所有折疊過程都靠快架塔自身機構自行完成。起重臂主要由臂架、撐架、展臂機構、展臂鋼絲繩、拉索和拉桿等組成。展臂鋼絲繩的一端與展臂機構相連，繞過一節臂、二節臂撐架和二節臂上的滑輪組，終端錨固在二節臂撐架上。尾部拉索掛在塔身底端的配重上用來維持起重臂的整體平衡，局部平衡的維持依靠其它拉索與各撐架的相互配合。塔身內部裝有液壓油缸，可以驅動塔身上下伸縮。快架塔結構組成如圖1所示。

圖1 快架塔起重臂結構示意圖

1.2 工作原理

起重臂是依靠塔身液壓油缸和展臂機構的驅動，在展臂鋼絲繩及各拉索的共同作用下進行折疊的，在起重臂的折疊過程中液壓油缸和展臂機構的工作具有不同步性，折疊過程大致分為五個步驟完成：①在頂升油缸的驅動下塔身下降，使尾部拉索放松，起重臂下降旋轉約45°；②展臂機構收縮展臂鋼絲繩，通過滑輪組帶動二節臂使其旋轉到水平位置；③頂升油缸驅動塔身下降，放松尾部拉索，使一節臂旋轉至豎直狀態；④展臂機構繼續收縮展臂鋼絲繩使二節臂和三節臂最終與一節臂完全折疊；⑤頂升油缸再次驅動塔身下降，使尾部撐架和頂撐架折疊。折疊過程如圖2所示。

圖2 快架塔起重臂折疊過程示意圖

2 建立快架塔的虛擬樣機模型

考慮到快架塔幾何模型比較復雜，直接在ADAMS環境下建立模型非常困難，所以利用Pro/E軟件來創建快架塔的剛體三維模型。由于Pro/E模型的裝配體導入ADAMS后各部件之間只保留幾何位置關系，沒有相對運動的各部件之間必須進行波爾運算使其成為一個整體，但是QTK16快架塔模型結構復雜、零部件繁多，整個模型全做波爾運算會使計算機仿真計算量巨大，仿真時間大大增長，最終使仿真無法進行。為了減少計算量并提高仿真速度，在Pro/E建立三維模型時，部件間沒有相對運動的一個裝配體（*.asm）建成一個整體零件（*.prt）模型，這樣導入ADAMS后無需再做波爾運算，不但可以使仿真順利進行，而且大大縮短了仿真時間。把建好的模型保存成具有糾錯功能的Parasolid （*.x_t）中性文件，然后導入ADAMS/View環境下完成后續的建模及仿真工作。雖然快架塔的幾何模型可以借助建模功能強大的Pro/E軟件進行創建，但是像鋼絲繩這樣變形大、撓性好的柔性體模型的建立問題，還必須通過ADAMS自身建模來解決。在導入的幾何模型上創建鋼絲繩模型，利用最新的cable工具鋼絲繩建模方法[2]，對模型進行鋼絲繩建模。

在有相互運動的各部件之間施加運動副，然后進行模型檢驗，對存在過約束的運動副采用具有相似功能的基本副來代替，以去除其過約束。在各個相互接觸的運動部件之間定義接觸碰撞關系，接觸函數為IMPACT函數。最后，根據起重臂折疊時的運動速度和時間，為頂升油缸添加驅動，按油缸的啟動和制動時間都為2s，驅動速度為1m/min，建立驅動函數的類型為STEP函數。

3 仿真結果及分析

已知起重臂各部件的重力值，以及各部件的重心點位置，因此可以對起重臂進行理論的受力分析與求解，可以求出起重臂折疊時各個位置的所有拉索以及絞點處的受力。

對快架塔起重臂的折疊過程做動力學仿真，得出的各拉索和絞點的受力時間——曲線數據與分析求解得出的數據相比較，證實仿真結果的正確性和準確性。并對受力較大部件的仿真結果進行具體分析。

頂升油缸的驅動速度如圖3所示。

圖3 頂升油缸的驅動速度

頂升油缸的驅動分三個階段，對應起重臂折疊的步驟一、步驟三和步驟五，其他階段油缸靜止。每個驅動階段的啟動時間和制動時間都為2s，其他時間以1m/min的速度做勻速運動，三個階段驅動完成頂升油缸的行程5500mm，驅動的速度根據研究樣機的技術參數設定，從仿真動畫可以清晰的看出起重臂可以平穩的安裝折疊原理完成對應折疊運動。

所有拉索中受力最大的是尾部拉索，尾部拉索受的拉力曲線如圖4所示。

圖4 尾部拉索受的拉力

從仿真曲線圖可以看出，尾部拉索所的拉力隨著起重臂重力力矩的減小而逐漸減小，在起始位置受到最大為58KN的拉力，尾部拉索是由兩根直徑為22mm的鋼絲繩組成，每根能承受的破斷拉力為SP=500d2=242kN，根據GB/T 8918-2006《鋼絲繩》可知，拉索的安全系數為n=6，因此拉索的許用拉力為F=nSP=1452kN，遠大于尾部拉索承受的最大拉力，因此，在折疊工況下，尾部拉索的設計是安全可靠的。受力曲線有一段出現較大的上下波動，主要是因為二節臂拉索二松弛后三節臂自由下垂，左右擺動造成的，為了使折疊運動平穩安全，應該在二節臂和三節臂絞點處加阻尼材料以減小三節臂的擺動。在547s時，由于尾部撐架突然下落，慣性拉力使尾部拉索突然增大，隨后瞬間變為0N。

展臂鋼絲繩受的拉力如圖5所示。

圖5 展臂鋼絲繩受的拉力

在折疊的第一個步驟，由于一節臂和二節臂下弦桿相互支撐，展臂鋼絲繩處于松弛狀態不受力。由圖6可知，從第二步開始，展臂機構的卷筒收縮鋼絲繩，展臂鋼絲繩開始受力，通過二節臂上的動滑輪拉動二節臂進行折疊，到395s時，二節臂撐架與二節臂接觸碰撞并隨其一起運動，二節臂上的動滑輪不再轉動，只靠一節臂上的定滑輪拉動，使展臂鋼絲繩所受拉力突然激增一倍，受力激增嚴重影響鋼絲繩的壽命，可以在二節臂與撐架接觸的地方安裝緩沖裝置，不但可以放緩鋼絲繩受力的增速，還可以減少二節臂與撐架的剛性碰撞。

圖6 內塔身與一節臂絞點處的受力

絞點處受力最大的是內塔身與一節臂的絞點，受力如圖6所示。

從仿真曲線圖可以看出，內塔身與一節臂絞點處的受力總體趨勢是逐漸減小的，主要原因是因為內塔身與一節臂絞點處的受力與起重臂的重力和尾部拉索的拉力的和相平等，起重臂的重力不會變，而尾部拉索的拉力逐漸減小，才使絞點處的受力減小。由圖6所示，最大受力為76.6kN，當在工作工況起吊重物時，受力會更大，應該加厚耳板并裝加強環，以防止絞點處的受力達到耳板的強度極限。當起重臂折疊完成時，絞點處的受力等于起重臂的重力，一直穩定在18.3kN。

4 結 論

本文對起重臂的折疊過程進行了動力學仿真，對受力較大的部件進行了強度分析，從理論上證實了QTK16快架塔起重臂結構設計的合理性。并對具體部位提出了優化措施，以使起重臂結構更加合理、安全。同時，本文也為類似機構的建模及分析提供了重要的理論參考。

[參考文獻]

[1] 鮑會麗，閆天興．基于ANSYS的快架塔起重臂的靜力學分析[J]．建筑機械化，2013，(7)：53-54.

[2] 田春偉，馬軍星．基于ADAMS的鋼絲繩建模方法研究[J]．建筑機械化，2014，(7)：42-44．

（編輯 賈澤輝）

Dynamic Analysis of fast frame tower crane boom folding process

TIAN Chun-wei, WANG Jin, MA Jun-xing, LI Zhi-guo, BAO Hui-li, YANG Guo-dong

［中圖分類號］TH213.3

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0039-03

［收稿日期］2014-11-04