全地面起重機(jī)塔臂工況吊重擺振特性研究

 

    全地面起重機(jī)具有起重量大、起升高度高、作業(yè)半徑大以及適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為移動式起重機(jī)市場的主力軍。但較大的起升高度和作業(yè)半徑會導(dǎo)致起重機(jī)在回轉(zhuǎn)過程中吊重的擺振更為明顯，從而降低吊裝就位精度，同時對起重機(jī)臂架系統(tǒng)產(chǎn)生較大的周期性附加動載荷，影響起重機(jī)臂架力學(xué)性能及整機(jī)穩(wěn)定性。為了提高起重機(jī)作業(yè)效率和操作安全性，研究回轉(zhuǎn)過程中吊重擺振特性，對于指導(dǎo)全地面起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制編程具有重要意義。

 

    目前國內(nèi)外學(xué)者對起重機(jī)吊重擺振特性進(jìn)行了大量的研究，但主要集中在小車一吊重系統(tǒng)。如SINGHOSEW等對龍門式起重機(jī)在起升運(yùn)動時吊重擺動及控制進(jìn)行了研究。吳曉等3根據(jù)起重機(jī)小車一吊重系統(tǒng)的三維動力學(xué)模型建立了吊重擺振的二自由度擺角動力學(xué)模型，通過線性簡化從模型中找出了影響擺角大小的主要因素。董明曉等4基于非慣性系中質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動動力學(xué)基本方程，建立塔式起重機(jī)同時進(jìn)行變幅、回轉(zhuǎn)、起升運(yùn)動的情況下載荷擺動動力學(xué)方程。王幫峰等采用機(jī)器人動力學(xué)方法建立吊重擺振的動力學(xué)模型并提出了*優(yōu)調(diào)節(jié)器理論的控制方案，但所研究起重機(jī)模型僅包含主臂。

 

    200t全地面起重機(jī)塔臂工況為研究對象，基于機(jī)器人動力學(xué)理論，將全地面起重機(jī)塔臂工況時的結(jié)構(gòu)等效成5個桿件串聯(lián)的開鏈機(jī)械手形式，建立吊重擺振的動力學(xué)方程，對全地面起重機(jī)塔臂工況回轉(zhuǎn)過程吊重擺振動態(tài)特性進(jìn)行了研究，分析了影響吊重偏擺角大小的因素。

 

    1吊重擺振動力學(xué)方程1.1吊重擺振動力學(xué)模型根據(jù)全地面起重機(jī)塔臂工況的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見）和機(jī)器人相關(guān)理論，當(dāng)只考慮起重機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，可將全地面起重機(jī)等效為具有5個桿件的串聯(lián)開鏈機(jī)器人系統(tǒng)。如所示，全地面起重機(jī)塔臂工況的機(jī)器人模型，機(jī)座0為起重機(jī)底盤支撐結(jié)構(gòu)，桿件1為轉(zhuǎn)臺，關(guān)節(jié)變量A為轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)角度，桿件2為主臂，桿件3為塔臂，關(guān)節(jié)變量心，03分別為主臂變幅角和塔臂變幅角，桿件5為吊繩和吊重，rz=1，2，3，4，5）為各桿件質(zhì)心到桿件坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離。引入長度和質(zhì)量均為零的虛擬桿件4，利用與之相關(guān)的關(guān)節(jié)變量04，隊及吊繩的長度來描述吊重相對于吊點(diǎn)的空間擺振位置。在本文研究中，視各桿為剛性，忽略吊繩的質(zhì)量及吊重尺寸對起重機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的影響，忽略系統(tǒng)阻尼和風(fēng)載的影響，吊繩的剛度足夠大，不考慮其彈性變形。

 

    ―Hartenberg方法確定齊次坐標(biāo)變換矩陣a，表示相鄰兩桿件相對位置和方向的關(guān)系。采用下關(guān)節(jié)的坐標(biāo)建立方法建立桿件坐標(biāo)見，則各關(guān)節(jié)處對應(yīng)的矩陣為由于D―H方法對關(guān)節(jié)變量的規(guī)定，使得用艮描述吊重在變幅平面內(nèi)的擺振（徑向擺振）并不直觀，所以采用中徑向擺角代之，即吊繩在變幅平面上的投影與鉛垂線的夾角，由幾何關(guān)系可得9同時，由于在回轉(zhuǎn)過程中徑向擺角般較小，可近似地將05視為吊重的切向擺角A即吊繩與變幅平面的夾角。矩陣A中參數(shù)的取值見表1，其中e為回轉(zhuǎn)軸線到臂架與轉(zhuǎn)臺鉸點(diǎn)的距離，/為主臂長度，k為塔臂長度。

 

    1.2系統(tǒng)動力學(xué)方程利用牛頓一歐拉方法推導(dǎo)系統(tǒng)動力學(xué)方程組。將轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)輸入，視么，01為已知。同時由于機(jī)座為不動桿件，所以7.=0表1矩陣A參數(shù)Tab.l桿件編號關(guān)節(jié)變量桿件扭角桿件長度偏置量代入牛頓一歐拉正向遞交推公式：表示坐標(biāo)系中度量的；Si，i分別為系相對于0―1的角速度和角加速度矢量；i+1R為i+iR的逆矩陣，i+iR為0+1系向i系變換的義，的旋轉(zhuǎn)子矩陣i分別為系原點(diǎn)a的線速度和線加速度矢量；i++1為第i+1號桿件的執(zhí)行器在i+1號關(guān)節(jié)處提供的角速度和角加速度；7i+i為指定0+1系軸方向的單位矢量，匕+1二T；Pi為在0系中描述的0+1系原點(diǎn)的位置矢量；c，+i為桿件i+1在（+1）系中的線加速度；ri+i為第i+1號桿件的質(zhì)心在i+1系中的位置矢量。

 

    并因吊重質(zhì)心處線加速度在桿件5坐標(biāo)系中的軸分量為零，即：a二。c5=T，則可導(dǎo)出全地面起重臂塔臂工況進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動時的吊重擺振動力學(xué)方程組為'―Zcos―gsin

 

    2.1徑向和切向擺振研究選取分析工況參數(shù)為：主臂長度為ZA17.2m，塔臂長度為Ztb=36m，吊繩長度為Z=5m，主臂仰角為62=76°，工作幅度為ZId=額定起重量為65t，*大回轉(zhuǎn)角速度為=如所示，表示在100s回轉(zhuǎn)過程中吊重在兩個方向上的擺振情況，010s為勻加速啟動階段，10s之后為勻速回轉(zhuǎn)階段。從圖中可得：對于切向擺振，在加速階段，吊重在慣性沖擊載荷的作用下以圖中所示基線為對稱軸擺振，基線所在位置的擺角為2.20°，與回轉(zhuǎn)慣性力作用下吊重受力平衡時的切向擺角相等；在勻速回轉(zhuǎn)階段，由于慣性力消失及不考慮系統(tǒng)阻尼，吊重在初始激勵的作用下以鉛垂線為對稱軸擺振。對于徑向擺振，在加速階段，吊重的擺角逐漸增大，并發(fā)生輕微的振動；在勻速回轉(zhuǎn)階段，吊重以圖中所示基線為對稱軸擺振，基線所在位置的擺角為2.31°，與回轉(zhuǎn)離心力作用下吊重受力平衡時的徑向擺角相等。另外由可得：切向和徑向的擺振均以定的周期循環(huán)，采用傅立葉變換（FFT）分析得到吊重在兩個方向上擺振的頻譜圖（見），由可得兩個方向上的擺振頻率均為0.23Hz，吊繩長度為5m的簡單鐘擺其擺振頻率為0.22Hz，二者近似相等）/趔吊重擺振頻譜圖如所示，表示在360°回轉(zhuǎn)過程中吊重在兩個方向上的擺振情況。從中可得：*大穩(wěn)態(tài)徑向擺振幅度（注：啟動或制動時的擺振稱瞬態(tài)擺振，勻速回轉(zhuǎn)或靜止時的擺振稱穩(wěn)態(tài)擺振）發(fā)生在穩(wěn)態(tài)切向擺振幅度接近*小值時，同樣反之亦然。同時每回轉(zhuǎn)90°以后，徑向和切向的穩(wěn)態(tài)擺振均發(fā)生較明顯的轉(zhuǎn)換，兩個方向上的穩(wěn)態(tài)擺振幅度關(guān)于90°的回轉(zhuǎn)距離幾乎是對稱的。在回轉(zhuǎn)90°后，初始位置時的徑向變成切向，而初始位置時的切向變成徑向，這一空間位置及方向的變化和特點(diǎn)，導(dǎo)致了吊重在回轉(zhuǎn)時表現(xiàn)出如所示的擺振動態(tài)特性，而且系統(tǒng)擺振的*原始激勵主要來源于回轉(zhuǎn)加速啟動時切向的慣性沖擊載荷，徑向擺振是隨著回轉(zhuǎn)距離的變化由切向擺振傳遞而來。

 

    如所示，表示在不同加速斜坡信號時吊重在兩個方向上的擺振情況。從中可得：對于切向擺振，在斜坡信號時間為11s時，信號結(jié)束時刻吊重所在空間位置的幅度較大，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)切向擺振幅度較大。在斜坡信號時間為9s時，信號結(jié)束時刻吊重所在空間位置的幅度較小，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)切向擺振幅度較小。對于徑向擺振，其穩(wěn)態(tài)擺振幅度主要受切向擺振幅度的影響，所以如所示，吊重徑向擺振與切向擺振有著相同的規(guī)律。

 

    如所示，表示在不同時刻制動時吊重在兩個方向上的擺振情況。從中可得：對于切向擺振，在12s開始制動時，制動引起的擺振與啟動引起的擺振協(xié)調(diào)一致，增強(qiáng)了由啟動引起的切向擺振，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)切向擺振幅度要比瞬態(tài)時的大。在13s開始制動時，制動引起的擺振與啟動引起的擺振不―致，削弱了部分由啟動引起的切向擺振，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)切向擺振幅度要比瞬態(tài)時的小。同樣如所示，吊重徑向擺振與切向擺振有著相同的規(guī)律。

 

    2.2影響偏擺角大小因素研究影響起重機(jī)回轉(zhuǎn)偏擺角大小的因素很多，主要有：吊繩長度/、工作幅度ZH、加速斜坡時間等，這些因素綜合影響了起重機(jī)的工作效率和安全。本部分將研究這些因素與偏擺角的關(guān)系及其對偏擺角大小的影響。選取的工況為：主臂長度為久b=17.2m，塔臂長度為Zlb=36m，主臂仰角為02=76°，*大回轉(zhuǎn)角速度為w=1.0r如所示，表示在特定的繩長（/加速斜坡信號（i=5s）下，切向*大偏擺角盧和徑向*大偏擺角P隨工作幅度變化曲線。從圖中可得：兩個方向的偏擺角均隨工作幅度的增加而變大且二者成線性關(guān)系。

 

    如所示，表示在任意一幅度（在此取Zrd=36m）下，分別在/=621m繩長時，切向*大偏擺角隨斜坡時間變化曲線。從圖可得：隨斜坡時間增加，切向偏擺角減小且趨于穩(wěn)定。同時當(dāng)斜坡時間較短時，繩長越短，切向偏擺角越大，當(dāng)斜坡時間大于定值時，繩長越長，切向偏擺角越大。如0所示，表示在任意一幅度（在此取/d分別在z=18s斜坡時，切向*大偏擺角P隨吊繩長度變化曲線。從圖可得：當(dāng)斜坡時間較短時，繩長越短，切向偏擺角越大，當(dāng)斜坡時間大于定值時，繩長越長，切向偏擺角越大。同時當(dāng)繩長超過定值后切向偏擺角趨于穩(wěn)定。徑向*大偏擺角9與切向*大偏擺角有著相同的變化規(guī)律，在此不再贅述。

 

    3結(jié)論本文利用機(jī)器人動力學(xué)理論建立吊重擺振的動力學(xué)方程，對全地面起重機(jī)塔臂工況回轉(zhuǎn)吊重擺振動態(tài)特性進(jìn)行分析研究。通過研究可知：吊重在切向和徑向兩個方向上的穩(wěn)態(tài)擺振隨著回轉(zhuǎn)時間均以定的周期循環(huán)，二者擺振頻率相等且與等繩長簡單鐘擺的擺振頻率近似相等。

 

    同時，*大穩(wěn)態(tài)徑向擺振幅度發(fā)生在穩(wěn)態(tài)切向擺振幅度接近*小值時，反之亦然，而且兩個方向上的擺振關(guān)于90°的回轉(zhuǎn)距離是對稱的。

 

    系統(tǒng)擺振*原始激勵主要來源于回轉(zhuǎn)加速啟動時切向慣性沖擊載荷，徑向擺振是隨著回轉(zhuǎn)距離的變化由切向擺振傳遞而來。啟動加速停止時刻和制動開始時刻對吊重在切向和徑向兩個方向上的穩(wěn)態(tài)擺振幅度均有較大影響。

 

    吊重切向*大偏擺角和徑向*大偏擺角會隨著工作幅度的增加而變大，隨啟動加速時間的增加而變小，吊繩長度對偏擺角的影響因斜坡時間的不同而不同。