履带式强夯机结构晃动机理及影响参数分析 周波周君朱发浩 徐工集团工程机械股份有限公司建设机械分公司 徐州 ２２１００２ 摘要：采用理论分析、仿真计算以及现场试验相结合的方法，研究履带式强夯机夯锤脱钩后臂架反弹的 动态响应过程。以变幅拉索直径作为单一变量参数，忽略地面硬度对强夯机晃动的影响，分析了强夯机晃动过 程中的能量转化过程，确定了强夯机晃动幅度、周期以及防后倾杆受力与变幅拉索直径间的关系。研究结果表 明，臂架晃动能量主要来源于变幅拉索储能，臂架的反弹量随变幅拉索直径增大而减小。 关键词：履带式强夯机；变幅拉索；直径；反弹量；分析 中图分类号：ＴＨ２１３．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１３）０８—００８２—０５ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｔｅ ｔｅｓｔ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｒｌｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｒｅｂｏｕｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｐｏｕｎｄｅｒ ｕｎｈｏｏｋｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｒａｗｌｅｒ－ｔｙｐｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐａｃｔｏｒ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａ－ ｐｅｒ．Ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｌｕｆｆｉｎｇ ｃａｂｌｅ ｄｉｍｅｔｅｒ ａｓ ｔａｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｉｒｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｎ ｗｏｂ－ ｂｌｉｎｇ ｏｆ ｈｅ ｄｙｎａｍｉｔｃ ｃｏｍｐａｃｔｏｒ，ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｕｒｉｎｇ ｗｏｂｂｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐａｃｔｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｏ ｄｅ— ｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｗｏｂｂｌｉｎｇ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｃｙｃｌｅ，ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ａｎｔｉ－ｈｙｐｓｏｋｉｎｅｓｉｓ ｒｏｄ ａｎｄ ｌｕｆｆｉｎｇ ｃａｂｌｅ ｄｉａｍｅ－ ｔｅｒ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｂｂｌｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ａｒｌｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｒｉｖｅｓ ｆｒｏｍ ｓｔｏｒｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌｕｆｉｎｇ ｃａｆｂｌｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｂｏｕｎｄ ａｍｏｕｎ￣ｏｆ ｔｈｅ ａｒｍ ｓｕｐｐｏｒｔ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｌｕｆｆｉｎｇ ｃａｂｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｒａｗｌｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐａｃｔｏｒ；ｌｕｆｆｉｎｇ ｃａｂｌｅ；ｄｉａｍｅｔｅｒ；ｒｅｂｏｕｎｄ ａｍｏｕｎｔ；ａｎａｌｙｓｉｓ 履带式强夯机是一种通过将夯锤提升到一定 高度后释放夯锤来夯实地基¨ 的大型机械设备， 的三维Ｐｒｏ—ｅ模型进行前处理，在Ａｎｓｙｓ Ｃｌａｓｓｉｃ 中进行模态计算，将计算结果保存为模态中性文 广泛用于建筑、石化等行业。强夯机性能好坏主 要体现在机构的可靠性、作业的安全性、结构的 耐疲劳性等方面 Ｊ。在直观方面，强夯机的稳定 性和安全性主要体现在夯锤释放后整车的晃动 上 Ｊ。本文针对目前强夯机工作时存在的车身晃 动量大，驾驶员操作安全感低的问题，对履带式 强夯机夯锤脱钩后臂架反弹的动态响应过程展开 研究，重点分析强夯机晃动过程中的能量转化过 程，讨论强夯机晃动的幅度、周期以及防后倾杆 件ＭＮＦ，再用ＡＤＡＭＳ软件直接读取上述ＭＮＦ文 件，形成柔性体，与在ＡＤＡＭＳ中直接建模形成的 车架、夯锤等刚性体进行刚一柔耦合连接。为了 模拟臂架与人字架间只能承受拉力的变幅拉索及 转台与臂架间只承受压力的防后倾，模型中通过 建立与相对位移成正比自定义弹簧来进行模拟。 ＡＤＡＭＳ计算模型如图１所示。 ２过程分析 ２．１夯锤脱钩后系统能量转化过程 受力与变幅拉索直径之间的关系，并通过现场试 验验证计算结果的正确性。 运用理论方法计算得到夯锤脱钩前的变幅拉 索储能和臂架应变能，通过仿真方法得到夯锤脱 １模型建立 本文主要研究变幅拉索直径对强夯机反弹晃 钩前臂架应变能和夯锤脱钩后臂架速度最大时的 动能、势能（此时防后倾处于受力前临界状态， 动的影响，简化模型为地面与履带刚性连接。以 不存储能量），比较这２种方法得到的系统总能量 是否守恒及臂架应变能是否相等，并在此基础上 分析夯锤脱钩后系统能量的转化过程，判断臂架 某型号强夯机１９ １＇１１臂长（变幅拉索长１７．７１ ｎ１）， ７ ｉｎ幅度（臂头滑轮中心到回转中心水平距离）， ７ ｔ吊重工况作为研究对象。 通过Ａｎｓｙｓ—Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对臂架、人字架和转台 一晃动的主要能量来源。 １）理论分析 《起重运输机械》 ２０１３（８） ８２一 图１ ＡＤＡＭＳ仿真计算模型 ①变幅拉索储能 变幅拉索受拉时满足 Ｆ＝ｋＡｌ （１） 式中：ｋ为刚度系数，△Ｚ为拉索伸长量。 根据材料力学ｌ４ 知识可知变幅拉索的伸长量 计算式为 △ｚ＝ Ｆｌ （２） 式中：ｚ为变幅拉索长度，Ｅ为弹性模量，Ａ 为横截面积。‘ 联立式（１）、式（２）可得 ＝丁ＥＡ 则变幅拉索储存能量可表示为 Ｐ＝ ＝ ＝ ㈩ 由式（３）可知，变幅拉索储能与拉索的长度 呈正比，与拉索截面积呈反比。拉索弹性模量Ｅ＝ １．０ ｘ １０“Ｐａ＝１．０×ｌｏ５ Ｎ／ｍ２，长度ｆ＿１７ ７１０ ｍｍ， 根据力矩平衡原理，对臂架铰点取矩，可求得夯 锤脱钩前２根拉索受力都为４５ ９２０ Ｎ（３种直径下 拉索力相同）。 拉索为圆截面，选取３种直径拉索对比分析， 拉索直径分别为２０ ｍｍ、２８ ｍｍ和４０ ｍｍ。带人式 （３）计算得到２根拉索共储能 《起重运输机械》 ２０１３（８） Ｐ２０ ：２× 一 ＾２×１０ ×７ｃ×１０ 一 ：１１．８９×１０ Ｎ‘ ＾ ．ｍｍ 。Ⅱ儿儿 Ｐ２８＝６．０６ ｘ １０ Ｎ・ｍｍ，Ｐ４ｏ：２．９７×１０ Ｎ・ｍｍ 式中： 为２０ ｉｎｌｎ直径拉索储能，Ｐ勰为２８ ｎｌｎｌ 直径拉索储能，Ｐ 。为４０ ｍｍ直径拉索储能。 ②臂架应变能 根据功能转化关系可知臂架的应变能为臂架 各根杆件受力做功之和（杆件受轴向力与法向 力）。 由于臂架模型十分复杂，难以直接通过计算 方法得到精确解，考虑到主要受力杆件为４根主 弦杆，腹杆主要起稳定性作用，故而简化模型为 只有４根主弦杆受轴向压力作用，且主弦杆长度 等于主臂长度，为１９ ０００ ｍｍ。力的大小通过夯锤 重量与变幅拉索力向主弦杆方向投影得到。 计算可知杆受到轴向压力１５２．４ ｋＮ，每根杆 受力３８．１ ｋＮ。主弦杆截面积为１ ４１９．２ ｍｍ ，弹 性模量为２．１×１０ Ｎ・ｍｍ。因主弦杆变形在线弹 性范围内，力做功为 ＝２ＦＡ１ （４） 式中：Ａｌ为主弦杆在力方向上变形量，可由 式（２）计算得到。 因此，可知力做功表达式与式（３）相同，则 带人式（３）计算可求得臂架应变能近似值为 Ｐｙｂ ：１．８５×１０ Ｎ．ｍｍ ２）仿真计算 ①臂架动能、势能 图２为ＡＤＡＭＳ仿真计算得到的不同拉索直径 下的臂架动能曲线。分析曲线可知臂架动能在夯 锤释放呈周期性规律变化，每次防后倾杆起作用 时，臂架动能都有相对较大幅度的衰减。 为了计算方便，取夯锤脱钩前臂架重心位置 为势能零点。由图４臂架重心竖直方向位移曲线 可知，３种直径拉索条件下臂架动能最大时重心上 升高度分别为１７．７ ｍｍ、１０．１ ｍｍ和６．６４ ｍｍ。臂 架自重１．９２６ ｔ，由此可计算臂架在动能最大时的 势能（见表１）。 ②臂架应变能 图３为臂架的应变能曲线，这部分能量是臂 一８３— ０ｘｌ ０ｘｌ 舍 ０ｘｌ夯锤脱钩前系统总能量均略大于仿真计算得到的 系统总能量，理论与仿真计算得到的应变能值接 近相等。考虑到理论分析求解应变能简化处理造 成的误差，以及仿真模型中阻尼能损耗造成系统 晕 ０ｘｌ ０ｘｌ ０ｘｌ Ｚ ０ｘｌ ０ｘｌ ０ｘｌ 总能量的减少，可以确定理论和仿真计算结果相 吻合，系统能量守恒。 表１晃动能量理论计算与仿真计算结果对比 ｌ０ Ｎ．ｍｍ 三 毒 ２ 理论计算 仿真计算 翻 拉索 变幅 应变 总能 直径 拉索 动能 势能 总能 应变 ／能 量 量 能 ｒｎｎｌ 储能 ２０ １１．９ １．８５ １３．７ ８．７２ ３．４１ １２．１ １．７１ ６．ｏ６ １．８５ ７．９１ ４．５０ １．９５ ６．４５ １．７１ ２．９７ １．８５ ４．８２ ２．６３ １．３５ ３．９８ １．７１ （ｂ）变幅拉索直径２８ ｍｎｌ ０ｘｌ ０ｘｌ ２８ ４０ 芝 ｌ ０ｘｌ ０ｘｌ ０ｘｌ 通过计算可以得到，在直径为２０ ｍｍ时，变 幅拉索储能占能量来源的８６．５％，直径为２８ ｍｍ 时密度为＂／６．６％，直径为４０ ｍｍ时为６１．６％。数 据表明变幅拉索储能大于臂架应变能，在拉索直 径较小时尤为明显。 图２臂架动能曲线 ０ｘｌ 毯 ０ｘｌ０ｘｌ Ｏｘｌ 由此可以得到强夯机臂架反弹过程中能量转 化过程为：在夯锤释放瞬间，变幅拉索储存能量 架变形而存储的能量，它与夯锤质量、拉索力大 小以及臂架系统自身的强度有关，与拉索的直径 粗细无关，故３种直径拉索条件下的臂架仿真计 算得到的初始应变能值相同。 和臂架自身应变能在极短时间内释放，转变为臂 架的动能、势能以及阻尼能，系统能量守恒；臂 架动能主要来源于变幅拉索储能而不是臂架的应 变能。 对比３种直径拉索变幅拉索储能值可知变幅拉 索储能随拉索直径增大而减小。拉索直径由２０ Ｉｎｎｌ ｌ 乏 增大到２８ Ｉｎｌｎ时，拉索储能减少５．８４ Ｘ １０ Ｎ・ｍｉｌｌ； 拉索直径由２８ ｈｉｍ增大到４０ ｍｍ时，拉索储能减 少３．０９ Ｘ１０ Ｎ・ｍｍ。由此可知，当拉索直径较小 时，增大拉索直径，拉索储能减小明显；当拉索 直径较大时，增大拉索直径，拉索储能变化量 图３臂架应变能曲线 较小。 ２．２变幅拉索直径对强夯机晃动和防后倾支反力 的影响 由图３可知，在夯锤释放前，３种拉索直径条 件下臂架的应变能大小都为１．７１ Ｘ １０ Ｎ・ｍｍ。 ３）强夯机晃动能量转化过程分析 表１为理论计算与仿真计算结果的数据对比， 由表中数据可知，３种拉索直径下理论计算得到的 一图４为３种直径拉索条件下臂架重心反弹位移 曲线，图５为防后倾杆Ｆ—ｔ曲线。由表２数据可 知，变幅拉索直径由２０ ＩＴｌｍ增大到２８ ｎｕｎ时，臂架 竖直位移减少２７ ｍｍ，防后倾力减少１ ８５０ Ｎ；直径 《起重运输机械》 ２０１３（８） ８４一 由２８ ｍｍ增大到４０ ｍｉｌｌ时，竖直位移减少１５ ｍ／ｎ， 防后倾力减小９９０ Ｎ。这表明拉索直径较小时，增 大拉索直径能够有效地减小臂架的反弹量和防后 倾杆受力；在拉索直径较大时，继续增大拉索直 径，对臂架反弹和防后倾杆受力改善幅度较小。 综合比较３种拉索直径下臂架重心Ｓ—ｔ曲线 和防后倾Ｆ—ｔ曲线，可得到如下结论：变幅拉索 直径越大，臂架反弹量越小，强夯机稳定性越好， 安全性越高；臂架振动周期、平衡时间以及防后 倾杆受力都随拉索直径增大而减小。 图４臂架重心竖直方向Ｓ—ｔ曲线 表２臂架晃动参数比较 变幅拉 臂架重心竖 最大振 平衡 防后倾最大 索直径 直方向反弹 动周期 时间 受力 ／ｒａｍ 量／ｍｍ ／ｓ ／ｓ ／Ｎ ２０ ５７ １．１ ５．０ ３ ５００ ２８ ３０ ０．９ ４．０ １ ６５０ ４０ １５ ０．６ ２．５ ６６０ 《起重运输机械》 ２０１３（８） 图５防后倾杆Ｆ—ｔ曲线 ３试验分析 现场试验工况为：主臂长度１９ ｍ、幅度７．０ ｍ， 夯锤质量７ ｔ，臂架位置正前方。图６为变幅拉索 直径２８ ｍｍ时仿真计算吊重工况下系统应力分布 云图。图７为臂架应变片测点分布示意图。这里 选取具有代表性的几个测点与仿真结果比较分析， 其中测点１为顶节臂危险点，测点５、８为臂头危 险点，测点１７、１８为底节臂危险点，测点２１、２２ 为防后倾杆着力点。结果数据对比见表３。 表３结构应力试验结果 ＼＼测点＼＼ ＼应力 应力／ＭＰａ 试验测点 仿真应力 ／ＭＰａ 误差 ＼ １ １６．５２ ２２．７８ ３７．８９％ ２ —７５．３９ —７８．３２ ３．８９％ ５ ４．８３ ６．１７ ２７．７％ 一８５— 续表３ 的现象。因此，可以认为强夯试验臂架实测应力 ＼＼应力 试验测点 仿真应力 与仿真计算应力分布情况一致，仿真计算结果正 测点＼＼ 应力／ＭＰａ ／ＭＰａ 误差 确， 其结果可用于强夯机结构优化设计及确定强 ＼ ８ —４５．９２ —４５．５６ ０．７９％ 夯机减少晃动量的改进方向。 １７ —１９．３２ 一ｌ８．０５ ６．５７％ ４结论 ｌ８ —５２．０８ —７３．３ｌ ４０．７％ １）通过理论分析与仿真计算相结合分析得到 ２１ —６．０９ —６．２２ ２．１３％ 强夯机臂架反弹过程中能量转化过程：在夯锤释 ２２ —５．６５ —６．３６ １２．５７％ 放瞬间，变幅拉索储存能量和臂架自身应变能在 极短时间内释放，转变为臂架的动能、势能以及 阻尼能；臂架动能主要来源于变幅拉索储能而不 是臂架的应变能。 ２）臂架反弹过程中，防后倾杆受力随拉索直 径的增大而减小；拉索直径越大，臂架反弹量越 小，振动周期越短，平衡时间也越短；在拉索直径 较小时，增大拉索直径能够有效减小臂架的反弹量 和防后倾杆受力，拉索直径较大时，增大拉索直径， 对臂架反弹和防后倾杆受力改善幅度较小。 ３）吊重工况试验与吊重仿真计算结果一致。 增大变幅拉索直径是减少臂架晃动、增强系统稳 定性的一个有效途径。 图６应力分布云图 参考文献 ［１］白朝阳，郑亚辉，李选朋，等．液压履带式强夯机的 现状及关键技术［Ｊ］．建设机械技术与管理，２０１１ （９）． ［２］潘培华．履带式起重机在地基强夯处理中的常见事故 分析与防护［Ｊ］．铁道工程学报，１９９９（２）． ［３］孟庆娟，王琳，王欣．强夯振动影响范围研究综述 ［Ｊ］．唐山学院学报，２０１１，２４（３）． 图７臂架应变片测点分布示意图 ［４］刘鸿文．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社， ２ｎ０３． 从表３数据可以看到，除了少数测点误差较 作 者：周君 大外，大部分测点的计算值与实测值接近相等， 地 址：中国江苏省徐州经济开发区桃山路１９号 这是因为仿真计算时对模型进行了简化处理，很 邮 编：２２１００２ 难避免在一些受力点处出现应力集中、计算值偏大 收稿日期：２０１３—０２—０４ 本刊网上在线投稿、审稿系统 ； 本刊已开通网上在线投稿、审稿系统，网址为：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａｃｍ．ｃｎ，请作者登录本刊网站，填写准确的注册： 信息后完成投稿。投稿后，作者可实时查询稿件状态，并可与编辑网上沟通。今后本刊将不再接受纸质和Ｅ－ｍａｉｌ投； 稿，敬请谅解。 《起重运输机械》编辑部 一８６一 《起重运输机械》 ２０１３（８）