基于塔式起重机虚拟样机的起升工况动态分析

杨传宁 董明晓 梁立为 冯润辉
山东建筑大学机电工程学院 济南 250101

摘 要：塔式起重机机构的频繁启、制动产生的惯性力引起结构振动和货物摆动，是引起塔式起重机疲劳破坏的主要因素，为研究结构振动和货物摆动的影响规律，基于ADAMS 软件建立刚柔耦合的塔式起重机虚拟样机，对起升运动进行仿真，得到了结构振动和货物摆动曲线，并与试验数据对比。研究结果表明：在起升运动中，随着起升速度的增加，起升过程产生的动载系数随之增加，结构振动幅值增大，货物最大提升力和摆动幅度增大，达到平稳状态需要的时间也更长。

关键词：塔式起重机； 刚柔耦合； 动载系数； 振动幅值

中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）01-0069-04

0 引言
随着吊装行业的不断发展，塔式起重机也逐渐趋于复杂化、大型化和安全化，对整机设计和操作人员的操作也有了更高要求。在整机工作过程中，塔身、起重臂以及货物对整机振动的影响作用不同，三者耦合时更加复杂，若单一的建立数学模型采用静态分析法显然不能满足要求。李宇宁[1] 等建立了平面刚性段单元及柔性梁有限段模型动力学方程，利用数值求解的方法得出机构的动力学响应；席瑞萍[2]、贾园园[3] 等建立了虚拟样机模型进行了较为全面的多体动力学仿真，得到了系统动态响应曲线；李瑞强[4] 等通过ADAMS 建立刚柔耦合的动力学模型并仿真得到吊装系统受力状态；刘贺[5] 等基于ADAMS 对汽车起重机稳定性进行了分析ChunHua.Zhao[6] 等基于ADAMS 对多柔体的塔式起重机进行了动态研究；DarinaHroncová[7] 等在ADAMS/View 中对曲柄机构建模后进行了完整的运动学分析。以上研究验证了利用建模研究动力学的可行性，考虑到振动研究需要与工程实际结合，分析实际工况中的振动响应，因此，本文通过对起升工况进行动力学仿真，研究起升工况中结构振动和货物摆动规律。

1 基于ADAMS 建立塔式起重机虚拟样机
通过Solidworks 软件、Ansys 软件和ADAMS 软件结合建立刚柔耦合的塔式起重机虚拟样机，首先采用Solidworks 软件建立整机的实体模型，然后将实体模型导入Ansys 软件进行网格划分，并利用刚性区域的方法导出MNF 文件生成柔性体模型，最后在ADAMS 软件建立刚柔耦合的塔式起重机虚拟样机。

2 起升工况动态分析
2.1 起升工况
塔式起重机在理想状态下起升货物，钢丝绳受力F是关于时间t 的分段函数，即0~t1 阶段货物开始起升，钢丝绳受力由0 增至F 并最终减小为货物自重G；t1 ~ t2阶段货物开始离地并匀速起升，这一阶段卷筒速度不为0，系统存在弹性振动，钢丝绳受力保持G；t2 ~ t3 阶段货物减速后静止在空中，钢丝绳上的力由G 减小并最后恢复至G。现对起升工况进行仿真，验证上述分析正
确性并研究整机振动规律。

根据起升运动过程，运用IF 函数和STEP 函数对驱动函数进行编辑，并探究不同起升速度对整机振动的影响规律，具体工况有：工况一：1.8 t 货物在回转半径20 m 处以0.7 m/s 的速度起升，起升机构0~1 s 静止，1~8 s 加速起升，8~32s 匀速起升，32~35 s 减速起升。

工况二：1.8 t 货物在回转半径20 m 处以0.373 8 m/s 的速度起升，起升机构0~1 s 静止，1~8 s 加速起升，8~57 s 匀速起升，57~60 s 减速起升。

2.2 起升工况仿真
根据工况一、工况二仿真，得到起重臂端部在起重臂垂直面内位移曲线如图1 所示，平衡臂端部在起重臂垂直面内位移曲线如图2 所示，塔身顶部在沿起重臂方向位移曲线如图3 所示。

在起升运动中，起重臂受到钢丝绳向下的拉力，起重臂端部在其垂直面内将由静止向下运动，图1 中起重臂端部振动曲线在0 刻度线下方波动，随着起升时间的增加，振动幅值逐渐减小，仿真与理论分析结果一致。与起重臂端部运动相比，平衡臂端部将反向运动，图2中平衡臂端部在起重臂垂直面向上做减幅振动。由图3可知，塔身顶部主要在沿着起重臂方向振动，靠近起重臂而远离平衡臂，曲线在0 刻度线上方波动，振动幅值也逐渐减小。

图1 起重臂端部在起重臂垂直面内位移

图2 平衡臂端部在起重臂垂直面内位移

图3 塔身顶部在沿起重臂方向位移

当起升机构以0.7 m/s 速度起升后，图1 中起重臂端部在起重臂垂直面内位移约为0.8 m，图2 中平衡臂端部位移约为0.05 m，图3 中塔身顶部位移约为0.05 m,起重臂端部振动幅值远大于平衡臂端部和塔身顶部振动幅值，所以起升运动对起重臂结构振动影响最大。当起升机构以不同速度起升时，由图1、图2 和图3 可知，起升速度越大，位移曲线波动幅值越大，结构振动越明显。为进一步研究起升过程中钢丝绳受力和货物摆动情况，得到钢丝绳在起重臂垂直面内受力曲线如图4 所示，货物在起重臂垂直面内位移曲线如图5 所示，货物在起重臂垂直面内速度曲线如图6 所示。

图4 钢丝绳在起重臂垂直面内受力

图5 货物在起重臂垂直面内位移

图6 货物在起重臂垂直面内速度

由图4 可以看出，随着起升机构的运动，钢丝绳受力逐渐增大，当达到起升动载荷后将围绕货物自重1.8×104 N 减幅波动。图5 中货物摆动曲线显示，货物离地后摆动幅值最大，随着货物起升高度的增加，其摆动幅值逐渐减小，停止起升后货物摆动幅值又变大，图6 中货物摆动速度趋势与其一致，结果证明，在起升过程中，起升机构启、制动时对货物摆动影响最大。起升速度为0.7 m/s 和0.373 8 m/s 时，由图5 和图6 对比货物位移和速度曲线可知，起升速度越大，货物在上升过程中的摆动幅值和摆动速度越大。

当起升速度为0.7 m/s 时，由图5 可知，货物约在6.7s 离地，此时图4 中钢丝绳受力达到起升动载荷，但9.9s 左右又出现新的峰值，经分析可知：9.9 s 时，图5 中货物向下摆动，图1 中起重臂端部向上振动，钢丝绳在起重臂垂直面内受到的拉力将增大，最终大于起升动载荷。

通过计算图4 中不同速度时的动载系数φ1=1.22、φ2=1.15 可知，当货物起升速度增加时，起升过程产生的动载系数随之增加，该过程产生的动载荷越大，冲击载荷和惯性载荷的作用也更大。因此，在起升过程中，司机应尽可能减小起升速度来减小起升动载荷。

3 起升工况振动试验
3.1 试验方案
在QTZ5613 型平头塔式起重机进行振动试验，起重臂端部起重臂垂直面内高度主要通过L2 迈测激光测距传感器测量得到，该传感器重量轻、体积小、功耗稳定，测量频率维持在1~10 Hz 之间、量程最大可达200m、分辨率为1 mm、最高测量精度可达±2 mm 测距，其测量特点保证了测量精度和可靠性。

安装时将测距传感器用带有滚动轴承的固定支座安装在距塔身55 m 处的位置，保证测距传感器激光探头始终竖直向下发射激光，发射的激光经地面反射回激光测距传感器被重新接收，同时激光测距传感器上位机连续记录激光往返时间和距离。通过Matlab 编写程序，将测量数据转化成振动曲线。

3.2 起升工况试验结果分析
当起升机构以0.7 m/s 速度起升时，得到工况一，起重臂端部在起重臂垂直面内位移如图7 所示，起升前起重臂端部保持静止状态，随着钢丝绳向下的拉力作用在起重臂，起重臂端部在其垂直面内向下运动，并最终围绕稳定值振动，通过图1 仿真曲线和图7 前40 s 试验曲线对比可知：在仿真结果中起重臂端部在起重臂垂直面内高度变化约为0.8 m，试验结果中约为0.5 m，由于试验环境等的影响，仿真曲线与试验曲线存在一定差距，但二者运动趋势基本一致。

图7 工况一起重臂端部在起重臂垂直面内位移

4 结论
通过建立刚柔耦合的塔式起重机动力学模型，对起升工况进行动力学仿真，得到了结构振动、货物摆动和钢丝绳受力曲线，并将起重臂端部振动曲线与试验曲线对比，仿真结果表明：在起升工况中，起重臂、平衡臂和塔身均会振动且起重臂振动幅值最大，起升速度越大，结构振动幅值越大，提升货物需要的最大提升力越大，起升过程产生的动载系数越大，货物起升过程摆动幅值也越大，达到平稳状态需要的时间更长。

参考文献
[1] 李宇宁. 基于刚柔耦合模型的起重机臂架系统动力学分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2017.
[2] 席瑞萍. 塔式起重机整机系统动力学仿真研究[D]. 太原：太原科技大学, 2009.
[3] 贾园园.QTZ40 型塔式起重机的设计及其性能分析[D].镇江：江苏科技大学,2013.
[4] 李瑞强. 基于ADAMS 的多机吊装刚柔耦合动力学分析[D].大连：大连理工大学,2016.
[5] 刘贺, 周静, 刘康. 基于ADAMS 在不同地面条件下汽车起重机的稳定性分析[J]. 装备制造技术,2018(6):157-160.

[6] ChunHua Zhao,ShiJun Chen,Jin Zhang, et al.Study on Dynamic Performance of Tower Crane Based on ADAMS Multi-Flexible-Body[J].Advanced Materials Research,2012,1 673(960):1 504-1 509.

[7] DarinaHroncová,MichalBinda,PatrikSarga,FrantisekKicák.Kinematical Analysis of Crank Slider Mechanism Using MSC.ADAMS/View[J].Procedia Engineering,Volume 48,2012：213-222.