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水平臂塔式起重机突然卸载冲击系数的研究

姜鑫  
【摘要】:塔式起重机(简称塔机)是一种高耸、重载的大型工程机械,在各个行业尤其是建筑行业得到了广泛的应用。随着新技术和新材料在机械工程领域的广泛应用以及工程需求的提高,塔式起重机结构向着大型、高速和轻量化方向发展,塔式起重机在使用过程中所受的冲击急剧增加,对于塔式起重机动态特性以及设计中动载冲击系数的研究也更受关注,突然卸载是塔机较为常见也是塔机结构受载最为严重的工况之一,对塔机突然卸载冲击的研究一直是起重机行业研究人员所关注的方向,极具研究意义和工程价值。本文着重研究水平臂塔式起重机卸载工况下的动力学特性,通过建立合理的突然卸载工况动力学模型,开展了不同的卸载工况下塔机结构动力响应的特性研究,为修订《塔式起重机设计规范》中的突然卸载冲击系数以及实际工程应用中如何合理考虑卸载冲击提供理论依据。首先建立了卸载工况下的塔机动力学分析模型,根据塔机的结构和工作特点,选取合理的广义坐标,建立规模适度的动力学控制方程。基于动力学普遍方程,建立塔身、塔帽、吊臂、平衡臂、拉杆等各个部件的运动方程,最后采用了多体系统动力学方法,考虑各部分之间的约束关系,建立具有5自由度的整个塔机的系统方程。其次,建立了QT15型和QT810型两种塔机的ANSYS模型。分别对ANSYS模型和本文模型进行了静力学分析和动力学分析,对比两种方法的仿真结果,证明了本文模型结果正确、计算效率高;应用了ANSYS模型和本文模型进行瞬态分析,均表明卸载冲击系数与幅度、卸载质量、平衡块质量等都有关系的结论,这与工程实际完全一致,也进一步验证了本文方法得到的结果比传统载荷系数法采用单一计算公式更符合实际情况。将为改进规范中的突然卸载冲击系数提供理论依据。最后,针对实验室已有的QT15型塔式起重机开展了突然卸载工况实验研究,主要研究不同幅度下,塔式起重机突然卸载工况下塔身应力的变化,并将实验结果、本文仿真结果、《规范》计算结果进行比较分析,进一步证明了本文方法更能反映塔机突然卸载的实际冲击情况。本文系统地研究了最为常见的水平臂塔式起重机在突然卸载工况下的瞬态冲击响应问题,通过建立合理的动力学分析模型,得出了塔机卸载工况下振动情况,进而得到了塔机振动时的应力变化;并采用通用有限元软件ANSYS仿真结果以及实际塔机实验结果对本文方法进行了验证。本文结论将为塔式起重机的设计提供更为准确的理论指导,并为塔式起重机设计规范的修订提供理论依据。


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