全液壓動臂塔機變幅機構機液一體化仿真研究

費 燁， 趙玉香， 劉 海

（沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

塔式起重機是高層或超高層建筑施工中的主要施工機械， 它通過改變起重臂仰角實現變幅以滿足不同工況需求。全液壓動臂塔機動臂自重大且帶載變幅，變幅過程產生慣性載荷影響結構疲勞強度， 還會對液壓系統造成沖擊。因此，對大型全液壓動臂塔機變幅的動態特性進行研究十分必要。

為此， 崔少杰等借助有限元法對動臂塔機變幅過程中的模態變化進行分析， 結果表明動臂仰角變化對整機固有頻率影響較大[1]；付玲等利用多體動力學方法對動臂塔機變幅過程突然卸載工況進行仿真分析， 發現突然卸載時臂架內彈性勢能釋放導致臂架振動對其結構強度有明顯影響[2]；文獻[3，4]則對動臂塔機變幅卸載防后傾進行了研究。 上述研究從對象看，均關注于動臂塔機變幅突然卸載對塔機的影響， 其實動臂變幅起吊載荷瞬間臂架內彈性勢能也會變化導致動態過程。 從研究方法看，現有研究單一的從動臂塔機的結構、機構角度建模分析，忽略了變幅機構液壓驅動系統的耦合性影響。

本文綜合考慮動臂塔機變幅過程中機、 液間的耦合作用，借助塔機變幅系統的機液一體化仿真技術[5-7]，建立全液壓動臂塔機變幅機構模型， 通過聯合仿真分析全液壓動臂塔機變幅啟動負載時機、液系統的動態特性。

1 液壓動臂塔變幅機構機液一體化模型建立

1.1 變幅機構仿真模型的搭建

依據某型全液壓動臂塔機實際結構，借助Solidworks完成其變幅機構三維模型的建立。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。完成的變幅機構三維模型如圖1 所示。

圖1 變幅機構三維模型

變幅機構仿真模型由動臂、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°，根據動臂的結構和受力點選取了20 個坐標點，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。 根據工程圖建立平面直角坐標系， 以動臂和平衡臂的連接點作為原點， 測量各點坐標，根據三維模型確定動臂重心坐標，作為動臂平面機械庫模型的參數[8，9]；為了簡化塔頭建模將其視為整體，坐標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械庫中選取定滑輪和動滑輪元件， 根據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。 完成變幅機構模型如圖2 所示。

圖2 變幅機構仿真模型

1.2 變幅機構液壓驅動回路模型的搭建

全液壓動臂塔機由液壓回路驅動變幅， 其工作原理如圖3 所示。變幅時，液壓泵輸出壓力油經換向閥到變幅馬達左右兩腔，實現其正反轉。馬達產生轉矩經減速機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工作幅度。

依據回路組成， 利用AMESim 搭建出變幅回路模型如圖4 所示。

圖3 變幅液壓系統原理圖

圖4 變幅機構液壓驅動回路仿真模型

1.3 變幅機構機液一體化仿真模型

將變幅機構模型通過減速機與液壓回路模型相連，得到變幅機構機液一體化仿真模型如圖5 所示。

圖5 變幅機構機液一體化仿真模型

2 變幅機構機液一體化模型驗證

2.1 仿真工況設定

該塔機動臂仰角在17°～80°變化，考慮到樣本實測數據，本文以空載往復變幅過程對該模型進行驗證。主要參數見表1。

2.2 仿真結果

表1 變幅系統主要參數

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

塔機實驗測得，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 馬達壓差開始穩定，此時動臂仰角18°，馬達壓差23.02MPa。 隨著動臂仰角增大，負載扭矩減小，馬達壓差隨之減小。 74s 時變幅卷筒鋼絲繩纏繞層數增加，馬達壓差隨之階躍增大。 74～130s 變幅卷筒直徑不再發生變化壓差呈遞減趨勢變化； 之后懸停制動，馬達壓差在5.81MPa 波動，此時動臂仰角80°。 140～262s 動臂回落，平衡閥未開導致馬達進油腔壓力升高，進油路壓力增至平衡閥控制壓力時， 馬達回油經平衡閥流回油箱，而后馬達壓差呈遞增趨勢變化。197s 馬達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4s 趨于穩定， 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 馬達壓差曲線

圖8 鋼絲繩拉力

2.3 理論計算

對塔機空載動臂仰角為18°、80°時進行受力分析如圖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]：

變幅馬達輸出扭矩及馬達兩腔壓差公式為：

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

該塔機動臂仰角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 數據代入公式（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， 且曲線趨勢正確。 說明該機液一體化模型正確，可以模擬仿真帶載變幅過程。

3 變幅機構動態特性仿真分析及改進

3.1 最大工作幅度下變幅過程仿真

該型塔機最大起重量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過程進行仿真。

馬達壓差如圖10 所示， 馬達壓差在3s 內劇烈波動后趨于穩定。

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，動臂變幅啟動時產生較大的慣性載荷，導致振動和壓力沖擊，液壓系統出現壓力沖擊。究其原因是在工況轉變過程中， 塔機變幅機構帶載變幅時會產生大的慣性載荷所致，繼而導致液壓系統壓力沖擊，又反作用于塔機動臂。 顯然這會影響液壓元件的使用壽命和工作的平穩性[11，12]，需對液壓系統進行改進。

3.2 變幅機構液壓系統改進

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

圖13 馬達壓差

圖14 鋼絲繩拉力

圖15 動臂頭部位移

改進后的液壓塔機變幅系統， 馬達壓力沖擊峰值下降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 結論

基于AMESim 軟件建立了國產某型全液壓動臂塔機變幅機構機液一體化仿真模型， 據此對變幅過程進行了仿真研究，結果表明：

（1）動臂變幅啟動過程會導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變幅平穩性有重要影響， 就所研究機型而言合理設置該參數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%。

上述結論對全液壓動臂塔機改進設計具有借鑒意義。