全液壓動臂塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化仿真研究

費 燁， 趙玉香， 劉 海

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

塔式起重機(jī)是高層或超高層建筑施工中的主要施工機(jī)械， 它通過改變起重臂仰角實現(xiàn)變幅以滿足不同工況需求。全液壓動臂塔機(jī)動臂自重大且?guī)лd變幅，變幅過程產(chǎn)生慣性載荷影響結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度， 還會對液壓系統(tǒng)造成沖擊。因此，對大型全液壓動臂塔機(jī)變幅的動態(tài)特性進(jìn)行研究十分必要。

為此， 崔少杰等借助有限元法對動臂塔機(jī)變幅過程中的模態(tài)變化進(jìn)行分析， 結(jié)果表明動臂仰角變化對整機(jī)固有頻率影響較大[1]；付玲等利用多體動力學(xué)方法對動臂塔機(jī)變幅過程突然卸載工況進(jìn)行仿真分析， 發(fā)現(xiàn)突然卸載時臂架內(nèi)彈性勢能釋放導(dǎo)致臂架振動對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有明顯影響[2]；文獻(xiàn)[3，4]則對動臂塔機(jī)變幅卸載防后傾進(jìn)行了研究。 上述研究從對象看，均關(guān)注于動臂塔機(jī)變幅突然卸載對塔機(jī)的影響， 其實動臂變幅起吊載荷瞬間臂架內(nèi)彈性勢能也會變化導(dǎo)致動態(tài)過程。 從研究方法看，現(xiàn)有研究單一的從動臂塔機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)角度建模分析，忽略了變幅機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的耦合性影響。

本文綜合考慮動臂塔機(jī)變幅過程中機(jī)、 液間的耦合作用，借助塔機(jī)變幅系統(tǒng)的機(jī)液一體化仿真技術(shù)[5-7]，建立全液壓動臂塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)模型， 通過聯(lián)合仿真分析全液壓動臂塔機(jī)變幅啟動負(fù)載時機(jī)、液系統(tǒng)的動態(tài)特性。

1 液壓動臂塔變幅機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化模型建立

1.1 變幅機(jī)構(gòu)仿真模型的搭建

依據(jù)某型全液壓動臂塔機(jī)實際結(jié)構(gòu)，借助Solidworks完成其變幅機(jī)構(gòu)三維模型的建立。主要由平衡臂、塔頭和臂架組成。 平衡臂與塔頭和臂架直接相連， 塔頭由前撐架、后支架和變幅定滑輪座三部分組成。前撐架和定滑輪座通過螺栓固接，后支架和定滑輪座通過銷軸連接。完成的變幅機(jī)構(gòu)三維模型如圖1 所示。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)三維模型

變幅機(jī)構(gòu)仿真模型由動臂、塔頭、變幅卷筒和變幅滑輪組、起升卷筒和起升滑輪組組成。其動臂的初始仰角為17°，根據(jù)動臂的結(jié)構(gòu)和受力點選取了20 個坐標(biāo)點，其中序號3，7，10，16 是起升滑輪組定滑輪連接點，序號17 是起升鋼絲繩繞過動滑輪固定端連接點，序號13 是連接變幅動滑輪組的拉繩連接點。 根據(jù)工程圖建立平面直角坐標(biāo)系， 以動臂和平衡臂的連接點作為原點， 測量各點坐標(biāo)，根據(jù)三維模型確定動臂重心坐標(biāo)，作為動臂平面機(jī)械庫模型的參數(shù)[8，9]；為了簡化塔頭建模將其視為整體，坐標(biāo)選取和測量過程與動臂類似； 變幅滑輪組和起升滑輪組在平面機(jī)械庫中選取定滑輪和動滑輪元件， 根據(jù)纏繞方式搭建出變幅滑輪組和起升滑輪組的仿真模型。 變幅滑輪組一端與定滑輪座相連， 另一端通過四根鋼絲繩與動臂頭部相連。 完成變幅機(jī)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 變幅機(jī)構(gòu)仿真模型

1.2 變幅機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動回路模型的搭建

全液壓動臂塔機(jī)由液壓回路驅(qū)動變幅， 其工作原理如圖3 所示。變幅時，液壓泵輸出壓力油經(jīng)換向閥到變幅馬達(dá)左右兩腔，實現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)。馬達(dá)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速機(jī)傳遞給變幅卷筒帶動鋼絲繩通過滑輪組纏繞或放出， 牽引動臂俯仰改變塔機(jī)工作幅度。

依據(jù)回路組成， 利用AMESim 搭建出變幅回路模型如圖4 所示。

圖3 變幅液壓系統(tǒng)原理圖

圖4 變幅機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動回路仿真模型

1.3 變幅機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化仿真模型

將變幅機(jī)構(gòu)模型通過減速機(jī)與液壓回路模型相連，得到變幅機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化仿真模型如圖5 所示。

圖5 變幅機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化仿真模型

2 變幅機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化模型驗證

2.1 仿真工況設(shè)定

該塔機(jī)動臂仰角在17°～80°變化，考慮到樣本實測數(shù)據(jù)，本文以空載往復(fù)變幅過程對該模型進(jìn)行驗證。主要參數(shù)見表1。

2.2 仿真結(jié)果

表1 變幅系統(tǒng)主要參數(shù)

將表1 中的數(shù)據(jù)，輸入到仿真模型，運行仿真， 得動臂仰角變化曲線、 變幅馬達(dá)雙腔壓差和鋼絲繩拉力曲線如圖6～8。

塔機(jī)實驗測得，動臂空載從17°變幅到80°時間130 s。 從80°變幅到17°時間120 s。 圖6 仿真所得時 間 為129 s、122 s，最大誤差誤差1.7%。

由圖7 知，變幅起升4s 馬達(dá)壓差開始穩(wěn)定，此時動臂仰角18°，馬達(dá)壓差23.02MPa。 隨著動臂仰角增大，負(fù)載扭矩減小，馬達(dá)壓差隨之減小。 74s 時變幅卷筒鋼絲繩纏繞層數(shù)增加，馬達(dá)壓差隨之階躍增大。 74～130s 變幅卷筒直徑不再發(fā)生變化壓差呈遞減趨勢變化； 之后懸停制動，馬達(dá)壓差在5.81MPa 波動，此時動臂仰角80°。 140～262s 動臂回落，平衡閥未開導(dǎo)致馬達(dá)進(jìn)油腔壓力升高，進(jìn)油路壓力增至平衡閥控制壓力時， 馬達(dá)回油經(jīng)平衡閥流回油箱，而后馬達(dá)壓差呈遞增趨勢變化。197s 馬達(dá)壓差因變幅卷筒直徑減小突然下降。 之后動臂下降18°時，馬達(dá)兩腔壓差22.6MPa。

圖8 表明， 動臂剛啟動時鋼絲繩拉力最大且劇烈波動， 經(jīng)4s 趨于穩(wěn)定， 此時動臂仰角18°， 鋼絲繩拉力237016.6N； 動臂仰角80°時鋼絲繩拉力最小其值為52458.06N。 動臂下降至18°時，鋼絲繩拉力236996.6N。

圖6 動臂仰角變化曲線

圖7 馬達(dá)壓差曲線

圖8 鋼絲繩拉力

2.3 理論計算

對塔機(jī)空載動臂仰角為18°、80°時進(jìn)行受力分析如圖9 所示。

圖9 動臂受力分析圖

對O 點取矩并令∑MO=0，求得動臂兩仰角鋼絲繩拉力[10]：

變幅馬達(dá)輸出扭矩及馬達(dá)兩腔壓差公式為：

式中：F—動臂單根鋼絲繩拉力；n—變幅卷筒鋼絲繩層數(shù)；ηm—馬達(dá)機(jī)械效率0.95；其他符號見表1。

該塔機(jī)動臂仰角18°時， 變幅卷筒纏繞兩層鋼絲繩，即n=2；動臂仰角80°時，n=3。

將表1 數(shù)據(jù)代入公式（1）、（2）可求得：

動臂仰角為18°時：

動臂仰角為80°時：

上述計算表明，動臂仰角18°時，馬達(dá)壓差最大誤差3.71%、鋼絲繩拉力最大誤差4%；動臂仰角80°時馬達(dá)壓差誤差為1.22%、鋼絲繩拉力誤差為0.34%。 均在誤差允許范圍內(nèi)， 且曲線趨勢正確。 說明該機(jī)液一體化模型正確，可以模擬仿真帶載變幅過程。

3 變幅機(jī)構(gòu)動態(tài)特性仿真分析及改進(jìn)

3.1 最大工作幅度下變幅過程仿真

該型塔機(jī)最大起重量100t， 最大起重力矩2400t·m。按照其起重特性， 以最大工作幅度80m 時起重13t 工況對變幅過程的動態(tài)過程進(jìn)行仿真。

馬達(dá)壓差如圖10 所示， 馬達(dá)壓差在3s 內(nèi)劇烈波動后趨于穩(wěn)定。

鋼絲繩拉力如圖11 所示，隨著動臂仰角增加拉力逐漸減小，動臂剛起升時，3 s 內(nèi)鋼絲繩拉力波動劇烈，動臂振動，動臂與鋼絲繩連接處的位移變化如圖12 所示。

圖10 馬達(dá)壓差曲線

圖11 鋼絲繩拉力

圖12 動臂頭部位移

可見，動臂變幅啟動時產(chǎn)生較大的慣性載荷，導(dǎo)致振動和壓力沖擊，液壓系統(tǒng)出現(xiàn)壓力沖擊。究其原因是在工況轉(zhuǎn)變過程中， 塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)帶載變幅時會產(chǎn)生大的慣性載荷所致，繼而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力沖擊，又反作用于塔機(jī)動臂。 顯然這會影響液壓元件的使用壽命和工作的平穩(wěn)性[11，12]，需對液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)改進(jìn)

仿真實驗表明， 平衡閥和溢流閥開啟壓力對動臂變幅平穩(wěn)性有重要影響， 通過對圖5 模型的批處理仿真實驗， 設(shè)置平衡閥開啟壓力28.4MPa、 溢流閥開啟壓力36.8MPa 變幅過程更為平穩(wěn)，仿真結(jié)果如圖13～15 所示。

圖13 馬達(dá)壓差

圖14 鋼絲繩拉力

圖15 動臂頭部位移

改進(jìn)后的液壓塔機(jī)變幅系統(tǒng)， 馬達(dá)壓力沖擊峰值下降17.4%，鋼絲繩拉力峰值下降7.6%，動臂振動的最大振幅減小了40.1%。 因此，變幅性能更好。

4 結(jié)論

基于AMESim 軟件建立了國產(chǎn)某型全液壓動臂塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化仿真模型， 據(jù)此對變幅過程進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明：

（1）動臂變幅啟動過程會導(dǎo)致動臂振動和變幅回路的壓力沖擊。

（2）變幅回路中平衡閥和溢流閥開啟壓力對動臂塔機(jī)變幅平穩(wěn)性有重要影響， 就所研究機(jī)型而言合理設(shè)置該參數(shù)可使動臂啟動變幅時的最大振幅減小40.1%， 回路壓力沖擊峰值下降17.4%。

上述結(jié)論對全液壓動臂塔機(jī)改進(jìn)設(shè)計具有借鑒意義。