（机械电子工程专业论文）压桩机用起重机起升过程的动态特性研究.pdf

中南人学硕十学位论文摘要 摘要 液压静力压桩机是近年来兴起的一种集压桩主机和液压起重机 于一体的新型桩工机械，其液压起重机( 吊机) 在施工过程中可能因 过载而导致吊臂损坏，甚至折断，当起重机突然启动和制动换向时过 载破坏的现象更加严重。前人在静态力学的基础上设计了简单的过载 保护装置，但对动应力引起的过载情况无法起到保护作用。本文针对 这个工程实际问题，分析了起重机各种工况及过载机理，重点研究了 起升机构运动过程中的动态特性，且提出了一些提高平稳换向品质的 措施。 首先，根据力学平衡原理计算得出了油缸支撑力与载荷和角度的 关系，提出了对钢丝绳拉力研究的必要性。通过对提升钢丝绳系数学 模型的分析和仿真，研究激励加速度对钢丝绳动张力及动载系数的影 响。动载系数的研究为起重机承载能力的计算和结构设计提供了较为 理想的理论依据。 其次，建立了起升机构的动力学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 数 值仿真的方法研究了在不同作业条件下液压绞车驱动的动态响应特 性。同时，将液压系统和机械结构结合起来，运用a m e s i m 软件对 变幅系统进行了建模，对其主要参数的动态特性进行仿真研究。 再次，本文对机构刚度和液压系统参数进行了研究，并且分析了 影响钢丝绳拉力变化幅值和振动频率的因素，选择合理的机构参数能 提高起重机工作的平稳性。为了解决启制动时操纵方式对动载荷影响 较大的问题，利用可调节流阀对液压系统进行改进。同时，对电液比 例阀余弦函数信号输入的控制方式进行研究，采取这样的控制策略能 够减小换向对系统的冲击。 最后，利用湖南长河机械有限公司生产的z y b 6 8 0 型静力压桩机 进行实验，在不同工况下操作起重机，通过观察变幅油缸压力变化来 间接测试动载荷变化，以验证起升机构动力学分析的正确性。 关键词液压起重机，起升机构，动力学，动载系数，平稳性 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h eh y d r a u l i cs t a t i cp i l ep r e s s i n g - i nd r i v e ri so n ek i n do fn e wt y p e m a c h i n e sa s s e m b l e dt h em a i np i l ep r e s s i n g i nd r i v e ra n dt h eh y d r a u l i c c r a n e t h ec r a n ea r mo fh y d r a u l i cs t a t i cp i l ep r e s s i n g i nd r i v e rc a nb e d a m a g e d e v e nb r o k e nb e c a u s eo fo v e r l o a d i n g t h i s p h e n o m e n o n b e c o m e sm o r es e r i o u sw h e nt h ec r a n ei ss t a r t e do rs t o p p e da b r u p t l y s o m es i m p l ea p p a r a t u sh a db e e nd e s i g n e db a s e do ns t a t i cm e c h a n i c st o p r e v e n tt h ec r a n ef r o mo v e rl o a d i n gb yt h ep r e d e c e s s o r s b u tt h e yw e r eo f n oa v a i lw h e nt h ec r a n ei so v e r l o a d e db e c a u s eo fd y n a m i cs t r e s s t h e p a p e ra i m sa tt h i sp r o b l e m ，a n a l y z e st h ec a u s a t i o no f o v e rl o a d i n g ，a n d r e s e a r c h e so nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fh o i s t i n gs y s t e md u r i n g w o r k i n gp r o c e s s f u r t h e r m o r e ，s o m em e a s u r e st oi m p r o v es t a b i l i t y a r e b r o u g h tf o r w a r d f i r s t l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e s s u r eo fc y l i n d e ra n dt h e a n g l eo ft h ec r a n eb o o mw i t hd i f f e r e n td y n a m i cs t r e s si sc a l c u l a t e d ，a n d t h er e s e a r c ha b o u tt h ed y n a m i ct e n s i o no fh o i s t i n gw i r er o p ei sn e c e s s a r y t h e nt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fh o i s t i n gw i r er o p ei sb u i l tu pa n d a n a l y z e d ，t h e r e b yt h ei n f l u e n c e so fa c t u a t o ra c c e l e r a t i o no nw i r er o p e s d y n a m i ct e n s i o na n dd y n a m i cl o a dc o e f f i c i e n ta r eg a i n e d t h er e s e a r c h a b o u td y n a m i cl o a dc o e f f i c i e n tc a no f f e rs o m ed e s i r a b l eb a s i so ft h e c a l c u l a t i o no nc a r r y i n gc a p a c i t ya n ds t r u c t u r ed e s i g nf o rt h ec r a n e s e c o n d l y , t h ed y n a m i c sm o d e lo fh o i s t i n gm a c h i n ei s s e tu p ，t h e n t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ew i n c hi nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n si s s i m u l a t e db yu s i n go fs i m u l i n kt o o lo fm a t l a bs o f t w a r e f u r t h e r m o r e ，t h e m o d e lo fc r a n eb o o ma n dc y l i n d e rs y s t e mi sb u i l tu s i n gt h es o f t w a r e a m e s i m ，a n di t sh y d r a u l i cs y s t e ma n dm e c h a n i s mi sc o m b i n e dw e l l ， t h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r so fi t sm a i np a r a m e t e r sa r es i m u l a t e d t h i r d l y , i no r d e rt oi m p r o v e t h es t a b i l i t yo ft h ec r a n e ，t h es t i f f n e s so f m e c h a n i s ma n ds o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw e r e r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，c h o o s i n gt h ep r o p e rp a r a m e t e r sa n d i m p r o v i n gt h ea s s e m b l i n gq u a l i t yc a nr e d u c et h ev i b r a t i o ne f f e c t i v e l y i n o r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h eo p e r a t i n gm o d ea f f e c t sd y n a m i cl o a d g r e a t l y , u s e dt h et h r o t t l ev a l v et oi m p r o v et h eh y d r a u l i cs y s t e m a n dt h e 中南大学硕 学位论文a b s t r a c t o p e r a t i n g m o d et h a tc o s i n ef u n c t i o na s i n p u ts i g n a l s o ft h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e v e r s e dv a l v ei sr e s e a r c h e d u s i n gt h e s e c o n t r o lm e t h o d sc a nd e c r e a s et h ei m p a c to ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw h e n t h ep o s i t i o no ft h ev a l v ec o r ec h a n g e df r e q u e n t l y l a s t l y , t h ep r e s s u r eo fh o i s tc y l i n d e ri st e s t e di nd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t so nt h ez y b 6 8 0t y p eh y d r a u l i cs t a t i cp i l e p r e s s i n g i nd r i v e rm a d ei nh u n a nc h a n g h em a c h i n e r yc o ，l t dc a n p r o v et h ev a l i d i t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h ed y n a m i c sa n a l y s i sa b o u tt h e h o i s t i n gm a c h i n e k e yw o r d s h y d r a u l i cc r a n e ，h o i s tm e c h a n i s m ，d y n a m i c s ，d y n a m i c l o a dc o e f f i c i e n t ，s t a b i l i t y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：姒日期：型2 年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信，i , l l 务。 作者签名：三亟塞导师签名日期：地2 - 年月上日 中南大学硕士学何论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 液压静力压桩机结构及工作原理概述 液压静力压桩机是近年来兴起的一种集压桩主机和液压起重机( 吊机) 于一 体的新型环保的桩工机械。因其施工效率高，施工过程无振动，无噪声等优点而 受到用户的青睐，短短几年内便在沿海省份以及淤泥层较厚的冲积平原地区得到 了迅速的推广应用。其原理是利用机器本身以及配重的重力作为抵抗预制桩压入 土体的阻力，利用液压油压力将预制桩平稳安静的压入地基。现以z y b 系列液压 静力压桩机为例，说明其结构组成，如图卜1 所示。 1 司机室2 控制台3 电气系统4 夹桩箱5 压桩架6 起重机7 短船机构8 长船机构 9 升降支腿10 机身升降台1 1 液压系统1 2 配重梁1 3 边桩和尾桩机构 图1 - 1 静力压桩机结构图 z y b 系列液压静力压桩机由司机室j 控制台与电气系统、液压系统、升降机 构、压桩机构、纵移机构、横移回转机构、起重机、机身、配重、边桩机构等组 成。 司机室置于机身之上，控制台与电气系统安装于司机室内，控制台上的各种 中南人学硕十学何论文第一章绪论 控制元件控制执行机构如起重机构、升降机构、行走机构、压桩机构等的运动。 电气系统设有短路保护、过载保护等保护措施。液压系统实现桩机的各工作机构 的运动。 1 2 液压静力压桩机的技术现状与发展趋势 1 2 1 国内外液压静力压桩机的研究现状 到目前为止还没有见到液压静力压桩机在国外的杂志或期刊上报道过，该设 备是具有中国特色的新型工程机械。在我国，首台使用静压力实现压桩的设备出 现于5 0 年代，并首次在我国沿海地区投入使用。从5 0 年代n s o 年初，只有一种形 式的绳索式静力压桩机，吨位为8 0 - 1 5 0 n 屯，它的工作原理是利用压桩机的自重和 配重通过卷扬机的牵引传至桩顶，将桩逐节压入土中。到了8 0 年代后期，出现了 改进型的绳索式静力压桩机瞳1 ，如长沙研制的d y g 3 2 0 型静力压拔桩机，它改变了 以往的压桩在地盘中心压入的方法，可以避免当桩不能贯入时必须将地面以上的 桩凿去掉后桩机才z 月、匕i - , 1 z - - j 走的弊病。在1 9 8 8 年左右，第一台全液压式静力压桩机出 现于武汉，为1 6 0 , 屯位的小型压桩机，1 9 8 9 年，w j y 型全液压静力压桩机由长沙建 筑机械研究所研制出来此时的静力压桩机还很不完善，同冲击式打桩机相比， 其效率低，同时，对土体的适应性有一定的局限。但它的优点也是显而易见的， 因此，压桩机在长沙得到了很大发展，并逐步推广到全国各地。进入9 0 年代后期， 特别是近年来，压桩机的需求不断增大，并在我国软土地区桩基施工中得到了广 泛的使用，取得了良好效果。”n 1 。这一时期也是静力压桩机得以迅速发展的黄金 阶段，有越来越多的科研技术人员参加到这一研究行列中来。该设备经过不断地 改进、完善，使其技术、整体结构都取得了巨大的进步。 人们近年来对压桩机的结构和动力系统等各方面都进行了研究。例如，根据 步履行走和预铺轨道原理瞄1 ，设计出了一种预铺轨道提携船式新型步履行走机 构，它保证了在施工过程中桩机能灵活移动和避免沉陷：对压桩机的动力系统和 应用进行了分析，建立了液压动力系统的微分方程和传递函数，分析了液压动力 系统的动态响应，给动力系统具备足够的承载能力、能安全、平稳地工作提供了 参考依据。同时，随着应用的深入，人们逐渐对其在施工过程中对环境的影响进 行了研究。 由于在初期人们的注意力主要集中在压桩机的结构上，因此，很长一段时间 其传动和控制系统没有发生太大的变化。在压桩机后期发展中，人们逐渐将注意 力转移到压桩机的自动化、智能化方向上来。 目前该产品虽己实现了系列化，但其操作仍然停留在凭经验、手工操作为主 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 的施工方式，劳动生产率无法进一步提高。目前要保证顺利地操作一台压桩机进 行j 下常工作，至少需要5 6 个工作人员在现场操作。桩机的行走、横移、调平、 吊桩、央桩、压桩、拆卸、安装等基本上都需要手工操作。因此，就整体而言， 目前压桩机的自动化程度很低、操作人员的劳动强度很大。 1 2 2 液压静力压桩机的发展趋势 随着计算机以及自动控制技术的高速发展以及广泛应用，液压静力压桩机也 不断地朝着机电液一体化的自动化智能化方向以及更加安全可靠的方向发展。目 前液压静力压桩机进一步发展的方向以及必须解决的问题有1 ： 1 开发出有特殊功能的压桩机，使压桩机有更广泛的地质适应能力； 2 由于液压静力压桩机动力系统使用液压传动，装机功率很大，对压桩机动 力系统的节能研究，开发出高效节能的动力系统不仅有环保意义而且还具有重要 的经济意义； 3 压桩机的自动化和智能化是压桩机进一步发展必须解决的问题。随着压桩 机自动化程度的提高，其各部分控制系统的完善及优化也就显得十分重要； 4 起重机是一种蕴藏危险因素较多，事故发生几率较大的典型机械设备，国 内外每年都发生大量因起重机作业造成的设备损坏甚至人身伤亡事故n 引。静力 压桩机上配置的液压起重机也存在着同样的过载破坏及安全问题。因此，对其起 升过程中的动态特性及平稳性进行深入的研究，对起重机的安全使用和整机性能 提高有着重要的理论意义和实际应用价值。本文针对这个工程实际问题进行了详 细的研究。 1 3 起重机动力学研究的发展概述 1 3 1 起重机动力学的研究方法 目前应用于起重机动态特性的研究方法主要有：动载系数法、有限单元法、 模态分析法、动态子结构的模念综合法、子空间迭代法和建立少自由度模型直接 计算法等阳1 。 ( 1 ) 动载系数法：由德国研究人员最早提出，研究思路来自于桥梁结构方 面的经验，并于1 9 3 6 年公布了有关起重机计算的d i n l 2 0 标准。这种方法在很多 国家被采用，我国的起重机标准也依此为据。 ( 2 ) 有限单元法：是随着电子计算机的应用而迅速发展起来的求解大型结 构的有效方法。动力有限单元法应用在起重机械领域始于2 0 世纪8 0 年代，思路 是将原结构离散为有限个单元，在单元的局部范围内，用较为简单的数学函数描 3 中南火学硕十学位论文第一章绪论 述单元位移与单元两端结点参数之间的关系，进行单元的弹性和惯性等性质的分 析。将这些单元通过有限个节点互相连接后，用它代替原结构作为计算模型，使 它能反映原结构的动力特性。有限元法可应用于任何一种结构。 ( 3 ) 模态分析法：模态分析是与近代计算机技术和动态实验技术密切结合 的一个动态分支学科。1 9 7 9 年j t l u s t y 采用了计算和试验结合的新方法，直接 利用实际结构的动态试验数据，通过模态分析，再利用参数识别理论来计算出机 械结构的动态参数和特性，由此建立起来的动力学模型精度高，较客观地反映了 动态特性问题。 ( 4 ) 动态子结构的模态综合法：也叫部件模态综合法，思路是“先修改后 复原”，先把整体结构划分成若干子结构，首先分析自由度很少的子结构的自振 特性，依据频率准则截断高阶模态，保留各子结构的低阶模态，然后考虑各子结 构在相邻界面上的位移协调及力的平衡条件，把选取的各个部件的模念装配成综 合结构的主要模念特性的旱茨基，最后经由早茨法分析导出缩减自由度的综合特 征值。 ( 5 ) 子空间迭代法：是在旱茨法和矩阵迭代法的基础上发展起来的，用于 求解大型结构系统的前若干个低阶频率和振型的有效方法。它通过对一组迭代向 量同时进行迭代，可以求得较多的特征向量和特征值，同时使固有频率和振型达 到预期的精度。由于起重机结构振动时低频响应占主要地位，故这种方法可用来 求解起重机结构的振型和固有频率，从而宏观地描述起重机结构的动载特性，但 若要精确计算起重机结构各构件的动载特性，必须建立多自山度的计算模型。 ( 6 ) 自由度模型直接计算法：将拥有大量自由度的大型结构系统根据实际 情况，合理地化简为较少的自由度，建立少自由度的计算模型，用数值分析的方 法直接计算结构振动时的惯性力。 1 3 2 起重机动力学的发展 在我国颁布的起重机设计规范叫和出版的设计手册1 ，以及其它国家的 设计规范中，都将起重机工作状况划分为若干等级，以选择动载荷系数的形式考 虑起重机所受动载荷。这种方法简单实用，受到设计人员的广泛使用2 | 。但是这 种方法不能全面地反映较为复杂的起重机系统的动态特性，仅适合于起重机的初 步设计。 另外是将起重机工作装置等效为有限个质体，组成线性的质量弹簧阻尼系统 分析系统的动力学特性。这方面的工作前苏联学者m c 柯马罗夫在5 0 年代进行 了较为详细的论述n 引，并出版了专著。 在7 0 年代，日本学者伊藤宏等人对汽车起重机的提升运动、回转运动和变 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 幅运动的动力学特性进行了较为详细的研究。研究中分别建立了在上述三种运动 中，起重机工作装置的弹性系统动力学模型，利用拉格朗日方法推导出三种运动 中系统的动力学方程，分析了起重机的动态特性。但是在他们的研究中，系统动 力学方程的形式和推导过程过于复杂，虽然模型较为精确，但不便于实际应用， 而且对模型等效参数的确定方法没有给出较为详细的说明。 近一二十年来，国内外学者关于起重机动力学的研究，多集中于为实现起重 机吊重摆振控制提供动力学模型的工作上，这方面的文献报导也较为丰富n4 1 。这 些研究主要关注吊重在起重机运行过程中的动态特性，对于对吊重动态特性影响 较小的起重机运行机构以及起重机钢结构的动态特性考虑较为简单，甚至将运行 机构简化为刚体模型5 | 。 目前国内的设计手册和相关参考书中关于起重机动力学的研究方法基本上 采用多自由度机构振动模型的方法。用类似的方法，宋立权将塔式起重机起升机 构等效为三质量二自由度的半正定线性系统模型副，对塔式起重机起升机构的动 力学特性进行了分析。 1 4 静力压桩机专用起重机的技术现状和特点 目前，静力压桩机上配置的专用起重机为液压驱动式，工作时臂长不可调， 在额定吊重的范围内，都可以使用起重机起吊桩、配重及压桩机零部件，通过液 压绞车和变幅油缸的配合进行载荷的吊运。与工程建筑起重机相比，由于压桩机 主要用途为压桩，其起重机作为辅助工具，使用频率较低，并且对精度要求不是 特别高，出于实用性和工程造价考虑，压桩机用起重机的机械结构和控制都较为 简单。 压桩机用起重机有如下特点： ( 1 ) 由于压桩机主机及配重重量达数百吨，远远大于起重机自重加上载荷重量， 因此，静力压桩机不会出现像汽车起重机等移动式起重机那样的因超载导致倾翻 现象。 ( 2 ) 由于操作人员并非严格遵守操作规程，载荷垂直状态超载起吊或斜拉斜拖 载荷，对起重机造成一定程度的破坏，带来强度失效，例如吊臂焊缝开裂、钢丝 绳破断。目自i ，工程建筑所用的塔式起重机、汽车起重机、履带起重机等通常配 有功能形式多样的力矩限制器，可以对起重机超载起到保护作用，但是其价格与 压桩机用起重机造价相当。 ( 3 ) 目前，压桩机用起重机通过普通的多路换向阀进行手动操作，启动和制动 速度依赖于操作人员的经验，控制精度差，劳动强度大，频繁快速的换向容易给 起升机构和液压系统带来很大的冲击和破坏。 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 5 本课题的来源、研究任务和意义 1 5 1 课题的来源 本课题来源于湖南长河机械有限公司生产的z y b 型液压静力压桩机中的生 产实际问题。液压起重机( 吊机) 作为液压静力压桩机的一个相对独立却又不可 或缺的组成部分，其性能的可靠和完善程度在压桩施工过程中有着十分重要的意 义。同时，市场和用户也不断地对静压桩机及其起重机的使用性能提出更高的要 求。以z y b 型液压静力压桩机所配的q y 系列起重机为例，目前，在压桩施工 现场，由于操作人员并非严格遵守操作规程，往往对机器造成一定程度的破坏。 液压起重机吊臂弯曲变形，焊缝丌裂以及钢丝绳破断的情况都有发生过。调查其 原因，是由于驾驶员超载起吊、斜拉拖拽管桩等违规操作导致吊臂和钢丝绳承受 破坏性载荷n7 1 。前人针对压桩机用起重机设计了简单的过载控制器舢或机械一液 压保护装置n 引，但是基于静态力学分析设计的保护装置不能起到很好的控制效 果，当工作过程中由于速度的突变产生的动应力造成的过载情况，这是静态力学 设计无法解决的问题。 事实上，起重机特别是液压驱动的起升机构，在不同工况和不同系统参数下 的动态特性是很复杂的。如当荷重突然提升离地，或在空中突然启动和制动时， 所起升质量的惯性力会对起重机的承载结构和传动机构产生附加的动载荷。若简 单粗糙地根据设计经验查手册选取动载系数和较大的安全系数进行承载能力计 算、结构计算和过载保护装置研究，不利于改善起升机构的设计品质和利用能量。 本文以分析起重机工作过程中的动力响应和解决由于启制动引起的振动冲 击这一具有现实意义的问题为研究课题，通过数字仿真对系统性能加以分析研究 并通过实验进行验证，从而及时满足生产实践对压桩机性能改善的迫切需要。 1 5 2 研究的思路和课题的任务 本课题的研究思路是：结合工程实际问题，通过对液压静力压桩机整机结构 力学、起重机回转支承倾覆力矩分析得出，起重机过载破坏指的是吊臂承受超载 重量力矩过大引起弯曲形变，从而使吊臂受损甚至断裂。通过对起吊钢丝绳动力 分析、起升机构动力学分析，得出影响动载系数的因素，并提出改善机构受振动 冲击的措施；采用电液比例阀控制操作的方案，改善突然换向时振动冲击大的现 象，大大减轻操作人员的劳动强度和提高机构自动控制能力。 根据研究目的以及目前静力压桩机起重机过载保护存在的难点问题和关键 技术，确定本课题的任务是： ( 1 ) 由于起重机工作时启、制动比较频繁，产生较大的动载荷，对钢丝绳 6 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 张力的影响不容忽视。因此，建立钢丝绳系统的运动学模型研究各参数对动载荷 的影响很有必要。 ( 2 ) 为了更好地研究起重机的动态特性，需要建立静力压桩机起升机构的 动力学模型。通过建立不同工况的力学模型和仿真，得出最危险的起重工况。 ( 3 ) 由于起重机吊臂工作时臂长不可调，这样虽然简化了控制，但是存在 通过变幅油缸伸缩控制吊臂仰角来实现起吊载荷升降的情况，所以本文需要从液 压绞车控制钢丝绳和变幅油缸控制吊臂对载荷提升两方面的作用来研究起升过 程的动态特性。同时，以几种有代表性的操作控制方式对系统响应进行比较。 ( 4 ) 为了提高起重机工作的平稳性，从液压起升回路、起升机构动力学模 型和钢丝绳系统着手研究各参数对减少振动的影响。对液压系统进行改进，采用 可调节流阀旁路调速回路和电液比例换向阀的控制方式，对操作方式进行改善。 ( 5 ) 通过实验对理论研究进行验证。 1 5 3 课题的意义 静力压桩机起重机超载问题不但是极大的安全隐患，对设备本身也是极大的 损害。采用传统保护装置不能完全解决换向过程动态力冲击对起重机的过载破坏 问题，需要从根源上分析冲击原因，并减小冲击及合理控制，达到最佳效果。因 此对这些问题的深入分析、及时全面有效地解决将在安全文明施工方面、经济效 益方面、液压静力压桩机和液压起重机的技术进步及行业发展方面都有着积极的 意义。 目前对液压起重机动力学的研究尚不充分，特别是国内在这方面的研究很 少，进行液压起重机现代设计方法的研究势在必行。动力学研究将为起重机动态 设计和过载保护研究提供必要的理论基础，为实现起重机自动控制提供理论模 型。本文针对压桩机起重机的起升机构力学研究有利于改善起升机构的设计品质 和利用能量，同样适用于其他类型的液压起重机。 因此，可以说，本课题的选题和研究是基于作者对国内外研究现状较全面的 了解，并且来源于科研实践，以解决实际工程问题为目的，具有较高的理论和实 际意义。 1 6 本章小结 本章首先简单介绍了静力压桩机的结构和工作原理，对其发展趋势和亟待解 决的工程实际问题作了简要的概括，提出了本文的研究方向。其次介绍了起重机 动力学研究的几种方法和发展现状。并根据其需要解决的问题，确定了课题研究 的任务，阐述了选题的意义。 7 中南人学硕十学位论文第二章静力压桩机吊机起重动态特性的研究 第二章静力压桩机吊机起重动态特性的研究 本章首先结合压桩机的实际工况，分析了其专用起重机过载破坏的情况及原 因，指明本文研究过载的目的是防止起重机因超载起吊而导致吊臂弯曲破坏甚至 折断的问题。针对起重机过载问题，前人多数根据经验或查手册取动载系数进行 起重机承载能力计算，但这样的设计方法并不理想：动载系数取值过小，无法有 效的防止吊机过载破坏问题以及保证钢丝绳等装置的使用安全性；取值过大，不 能有效使用起重机的起吊能力，且增加起重机成本和重量。另外，从起重机的工 况分析可知，其工作性质决定了带载启动、制动频繁，动载荷变化的影响不容忽 视。本章通过对吊机起升系统做一系列的研究和探讨，建立了吊机起升钢丝绳系 的数学模型研究，分析了影响动载荷的因素，为起重机结构设计和过载保护装置 的设计提供了可靠的理论依据。 2 1 静力压桩机吊机起重能力的计算分析 本节将通过机械结构和材料力学分析计算阐明，静力压桩机吊机过载保护的 目的不是为了防止吊机倾翻，或者吊机回转支承因承载能力不够而导致超载破 坏，而是为了防止吊臂在吊机超载起吊时的弯曲破坏甚至断裂，并根据吊臂的弯 曲强度计算确定相应的吊机起重特性曲线。 2 1 1 吊机过载破坏现象的讨论 对一般工程所用的液压起莺机而言，所谓过载破环现象，主要是指吊机过载 时可能出现的吊桩失稳破坏( 即吊机倾翻) ，回转支承破坏和吊臂弯曲破坏等三 种情况。 压桩机专用的q y l 6 型吊机属于伸缩臂式回转液压起重机。其回转、吊臂伸 缩、液压提升绞车、吊臂变幅等机构均是由液压马达或缸驱动的啪1 。其工作原理 是通过多路换向阀对卷扬马达、变幅油缸、回转马达、伸缩马达等几个相对独立 的执行机构f 反方向的动作进行集中控制并相互配合以实现吊机起重功能。在额 定吊重的范围内，都可以使用起重机起吊桩、配重及压桩机零部件。 吊桩稳定性依据外力产生的力矩与桩机重力产生的力矩之差得到的数值束 判断，当这个值为正时，桩机不稳定；当这个值为负时，桩机稳定。因此，桩机 在没有配重同时吊机起吊额定吊重的情况下，静压桩机出现不稳定的可能性最 大。吊臂的运动轨迹如图2 1 中半圆弧虚线所示。吊桩稳定性的等效支点是在右 长船的右侧边缘线上，即图中的b c 线，a 点为静压桩机在无配重状态下的重心 位置。 中南人学硕十学位论文第二章静力压桩机吊机起重动态特性的研究 1 长船2 短船3 吊臂 图2 - 1 吊臂的运动轨迹图 由文献瞳门分析可知，地表对左右长船的支撑力在任何时刻都为正，说明在整 个起吊重物过程中，左右长船始终与地表有接触并存在正压力。则桩机不会出现 失稳现象。静压桩机在吊桩的过程中，只要被吊物的质量在额定范围内，即便考 虑桩机重心位置随吊臂转动而发生变化及吊重惯性力的影响，都不会使静压桩机 在无配重条件下发生吊桩失稳。因此，液压静力压桩机吊机不可能发生象汽车起 重机等移动式起重机那样的因超载而导致设备倾翻的现象。所以，静压桩机吊机 过载破坏不需要考虑整机抗倾覆稳定性决定起重能力这一方面。 q y l 6 a 型静压桩机吊机通常配置h s w 3 5 1 4 3 5 型四点接触滚珠式滚动轴承 式回转支承幢引。这种回转支承装置有一个大的滚动轴承，起重机的旋转部分固定 在大轴承的旋转座圈上，而大轴承的固定座圈则与起重机固定部分( 如静压桩机 吊机的机座) 固接，借助于这个大滚动轴承传递载荷，并由滚动轴承上的齿圈实 现起重机旋转部分相对固定部分的回转。旋转座圈与固定座圈均以螺栓与吊机相 应部分连接。 强 1 4 】 o k3 5 1 “o 田n 1 ，j 0 9 l 、 i 、 ，r z l 、 一 一 匕 、 _ r f ( i i 1 ) 图2 - 2h s w 3 5 1 4 3 5 型回转支承承载能力曲线 回转支承在使用过程中，一般要承受轴向力f o 、径向力f 以及倾覆力矩m 的共同作用。 h s w 3 5 1 4 3 5 型回转支承的承载能力曲线如图2 2 所示。曲线图中有二种类 9 撕 瑚 渤 埘 髓 中南人学硕十学位论文第二章静力压桩机吊机起重动态特性的研究 型曲线，一类为静止承载曲线( 1 线) ，表示回转支承保持静止状态时所能承受 的最大负荷；另一类为回转支承螺栓极限负荷曲线( 8 8 、1 0 9 ) ，它是在螺栓夹 持长度为螺栓公称直径5 倍，预紧力为螺栓材料屈服极限的7 0 来确定的。 回转支承的计算载荷如下： 起重机旋转部分自重( 包括平衡重) g 旋：由起升载荷引起的载荷q 等效+ g 0 ； 钢丝绳偏斜所引起的水平力，包括臂架摆动平面( q 辱效+ g 0 ) t a n a 。，垂直于臂架 摆动平面的( q 等效+ g 0 ) t a n a 2 ；旋转部分( 不包括重物) 的水平惯性力，包括旋 转机构启动名，起重机旋转时离心力珞，旋转驱动装置最后一级齿轮传动啮合 力气。其中，g 0 为取物装置重量；q ，口：分别为吊臂摆动平面内和垂直于吊臂 摆动平面内的钢丝绳对地面垂直线的偏角。 故垂直方向的总轴向力为： f o = g 矗+ q 鲁教+ g 0 ( 2 - 1 ) 水平方向的总径向力为： c = 覃+ g ( 2 - 2 ) 式中p x 轴方向( 垂直于臂架摆动平面的方向) 上所有水平力的总和，n ； 尸，y 轴方向( 臂架摆动平面的方向) 上所有水平力的总和，n 。 总力矩为： m = m ；+ m ： ( 2 - 3 ) 式中m ，在垂直于臂架摆动平面内由各种水平力及垂直力引起的对回转支 承滚子中心所在平面或水平滚轮所在平面与旋转中心线的交点 的倾覆力矩的总和； m 。在臂架摆动平面内由各种垂直力及水平力引起的对回转支承滚子 中心所在平面或水平滚轮所在平面与旋转中心线的交点的倾覆力 矩的总和。 将q y l 6 a 型吊机工作参数及h s w 3 5 1 4 3 5 的有关结构数据代入式( 2 1 ) ( 2 3 ) ，可以求得回转支承实际工作点的总垂直力和总力矩如下： f o = 3 5 1 0 4 n ：m = 7 0 x 1 0 4 n m 实际施工过程中h s w 3 5 1 4 3 5 型回转支承的工作点位于图2 - 2 中的a 点。可 见回转支承实际所承受的工作载荷( 总垂直力和总力矩) 远小于其额定承载能力， 即a 点位于静载曲线、动载曲线与坐标轴所包围的范围之内，故安全系数有很大 的裕度，一定程度的超载不致导致机械破坏。所以吊机的起重能力计算不应以此 为依据。 l o 中南人学硕十学位论文第二二章静力乐桩机吊机起重动态特性的研究 综上所述，本章所研究的吊机过载主要是指吊机超载起吊引起的问题。由静 力压桩机吊机过载保护的定义可知，静力压桩机吊机过载破坏将导致吊臂承受超 载重量引起的弯曲力矩产生过大弯曲形变，从而使吊臂受损甚至断裂。对静力压 桩机起升机构的力学性能研究是本文的研究重点。 2 1 2 吊臂起重能力关系的研究 静力压桩机典型配置的q y l 6 a 型吊机吊臂为二级伸缩臂，通过液压驱动的 伸缩机构实现长臂与短臂的切换。其典型工作状态为长臂工作状态，并且在长臂 工作状态时伸缩臂必须刚性锁定，只有未起吊重物时方可切换长、短臂。施工过 程中，吊臂则基本处于长臂状态，短臂几乎仅起到桩机转场运输时收回吊臂之用。 所以，在q y l 6 a 型吊机起重能力时，只需考虑长臂状态下不同工作幅度及不同 吊臂变幅角度与对应起重量的关系。 对吊机金属结构件吊臂的承载能力计算( 即弯曲强度校核) 属于吊臂抗塑性 破坏计算，它可以按一般材料力学方法计算。吊机承载能力计算一般只考虑一阶 应力。所谓一阶应力是指平衡外载荷( 包括重力载荷和水平载荷) 而产生的应力， 这些应力一般与外载荷成线性关系。 本文采用许用应力法计算吊臂承载能力，所谓许用应力法是指使设计应力等 于或小于零部件和结构件的许用应力【仃】。这罩许用应力 仃】等于材料的强度盯。 ( 材料的屈服限) 除以安全系数n 。安全系数大小与载荷估计的准确程度及对起 重机的安全要求有关。在i s o 规范中，安全系数用两个系数相乘：n 叫，丫。，式 中丫，与载倚的估计有关；丫。与起重机要求的安全程度有关。吊机结构件承载能 力计算的可靠与否，在很大程度上取决于计算载荷的确定是否合适。主要的几种 计算载荷有：起升载荷、自重载荷和外部动载荷。起升载荷就是起升质量( 即起 重量) 的静态重力。自重载荷是指起重机会属结构、机械设备等的重力。外部动 载荷是指起重机各质量由于运动状态变化而产生的动态力。 静力压桩机的q y l 6 a 型吊机吊臂从横截面看为箱型梁，从安装结构和受力 分析看则属于悬臂简支梁。所受载荷主要有起升载荷、自重载荷和起升动载荷。 它们分别为集中载荷、均布载荷和集中载荷，但都可以折算为作用于吊臂自由端 端部的集中载荷，且方向恒为垂直向下。 图2 3 为静力压桩机吊臂受力关系图，点o 、点p 、点b 分别为吊臂与机架 铰座铰接点、变幅油缸与机架平面铰接点、变幅油缸与吊臂铰座的铰接点。点p 与b 之间的距离可变，表示变幅油缸伸缩以实现吊臂变幅。c 点为伸缩臂与基本 臂固联后的承力点。d 点与e 点为基本臂上截面积相等的两点，b 点处横截面积 最大，c 点最小。口表示吊臂轴线与水平面的夹角，即吊臂变幅角度。吊机就是 中南人学硕十学位论文第二章静力压桩机吊机起重动态特性的研究 通过变幅油缸的伸缩改变变幅角口从而获得不同的工作幅度。由变幅油缸的行程 可以求得口在0 。 - 8 0 。的范围内取值。 a ( a ) 吊臂结构和受力情况 ( b ) 弯矩图 图2 - 3 吊臂受力分析图 据最大拉应力强度理论及图2 3 的受力分析，图中各可能的危险截面最大弯 曲正应力为： 盯：丝( 2 4 ) 形 式中：m 各截面所受弯矩，k n m ； 彬弯曲截面系数，m 3 。这罩吊臂截面为箱型梁：形：b h 3 - b h 3 。14 6 h 代入有关吊臂主臂和伸缩臂参数，= 0 4 9 x 1 0 7 m m 3 ，= 0 3 7 x 1 0 7 m m 3 。 由图2 3 中( b ) 图计算可得：m c = 0 4 9 m 占。代入公式( 2 4 ) 计算并比较可知， 点b 处截面为吊臂上最危险截面。因此，应根据截面b 的弯曲应力来作为吊 机起重能力计算。 根据吊机起重能力计算的许用应力法应有危险截面应力小于或等于材料的 许用应力，即 盯】 ( 2 - 5 ) 1 2 a bl盛j l ln 盯c i 中南大学硕十学位论文第二章静力压桩机吊机起重动态特性的研究 从而有 旷鲁印】寺 ( 2 - 6 ) 查表知吊臂材料得屈服强度极限o s = 3 5 k g f f m m 2 ；在i s o 规范中，安全系数 用两个系数相乘：n 叫，丫。，式中丫，与载荷的估计有关；丫。与起重机要求的安全 程度有关。 由图2 - 3 可得吊臂的力学平衡方程为： ( + q o ) 们e , o s o ! + 6 z 锄c o s o ! 一2 s i n = 0 ( 2 - 7 ) 其中： 生：生 s i n s i n ( 1 8 0 0 一仅一p z p o x 、) 瓦为绳的动张力，是由于工作过程中突然启动或制动，起升载荷产生的 惯性载荷引起的，动张力与起升静载荷之和为动载荷，n ； q 为起升载荷，即实际吊重重量，n ； g 为折算到吊臂自由端的吊臂的自重，为2 2 8 t ； n = 只4 一只4 为单只油缸对吊臂斜向支撑力，n 。其中只、只，4 、4 分 别为变幅油缸无杆腔和有杆腔的油压及横截面积。 根据静力压桩机吊机设计的安全程度要求可取吊臂弯曲强度校核的安全系 数n 为4 6 ，根据式( 2 6 ) 代入相关数据最后可得： c o s 口= ( t o + q o 一) c o s 口= 2 2 5 4 0 ( 2 - 8 ) 式中：编。吊机吊臂的承载能力，即理论允许载荷，n ； q 。最大吊重重量，与角度和工况有关，n 。 式( 2 7 ) 中的变幅油缸工作压力值只、只和吊臂与水平面所成夹角o f 分别 由力矩限制器中压力传感器和角度传感器测出。式( 2 8 ) 中能。为口角度所对 应的理论允许载倚，与o f 的关系曲线就是我们所求的起重性能曲线。为了得 出式( 2 - 7 ) 、式( 2 - 8 ) 中死的变化规律，将对起升机构中钢丝绳这个重要部件 进行运动学研究，分析动载荷的影响。 2 2 静力压桩机起升机构的分析 由于液压传动具有体积小、重量轻、结构简单、传动平稳、操纵省力、易于 实现无级变速和自动控制等优点，液压传动的起升机构获得广泛的应用。特别是 现代工程起重机，如汽车起重机和履带式起重机中更是广泛的采用了液压传动方 式乜驯。本节将对液压静力压桩机起重机的起升系统进行研究，先介绍其起升机构 组成和液压回路构成，分析其主要工况，提出起重机可能发生过载的情况，并进 行计算及仿真验证。