大型起重機柔性卸載方法研究

劉 洋

(湖南師范大學 工程與設計學院，長沙 410081)

動力固結法是通過高空中的重錘自由落體沖擊地面加固地基的工藝方法[1]。Menard等[2]第一次將動力固結法應用于納普爾海濱圍海造地以來，這一方法在松軟濕陷地面構筑機場、大型建筑的基礎施工中得到廣泛應用。我國南海有大量的人工島、宜居島礁建設，需要在沙灘上構筑建筑物，這是我國開發南海的重要內容。國家戰略為高能級動力固結設備的開發提出了迫切需求。

動力固結的提升裝置是起重機，即通過起重機提升重錘至高空。根據《起重機設計規范》，現有起重機結構設計以慢速重載提升為主工作工況，嚴禁突然卸載，而動力固結需要頻繁、大載荷卸載，這嚴重威脅起重機結構安全。降低卸載沖擊、提升結構疲勞壽命一直為沖擊工況下起重機結構技術的研究熱點。目前，這一問題的研究主要集中在防后傾裝置特性建模[3]、臂架與防后傾裝置的特性匹配[4]和起重機結構疲勞[5-6]等方面。由于卸載沖擊下起重機結構動響應復雜，結構優化和系統匹配并不能直接降低卸載沖擊。周波等[7]采用仿真計算對強夯機卸載反彈進行研究，提出變幅鋼絲繩是強夯機最大儲能部件這一定性判斷，但未總結出結構儲能與卸載沖擊之間的定量關系；高順德等[8-9]通過起重機虛擬樣機仿真，對比不同卸載時間條件臂架結構動響應，發現延長卸載時間可降低臂架在沖擊下的動響應峰值，但未提出延長卸載時間的方法，難以對卸載裝置設計提供方法指導。

動力固結的作動裝置是突然卸載裝置，即通過突然卸載裝置釋放重錘。現有突然卸載裝置均通過快速破壞起吊裝置的結構穩定性，使重錘瞬間進入失重狀態[10-12]。與火炮反后坐[13]、飛機落地緩沖[14]和汽車碰撞緩沖[15]不同，卸載激發起重臂產生剛體回轉和多階彈性振動。防后傾裝置作用在起重臂縱向某一點的緩沖力難以抑制起重臂整體彈性振動。卸載裝置的工作方式產生的振動沖擊嚴重威脅起重臂的結構安全，也制約了高能級動力固結設備的開發。

本文以用于動力固結的起重機為研究對象，提出通過卸載器耗能降低卸載沖擊的新方法，探討卸載工況中卸載器的耗能量對起重機沖擊動能的影響，仿真研究卸載時間與沖擊響應之間的規律，并通過對比試驗驗證柔性卸載裝置的可行性。

1 柔性卸載理論

1.1 模型簡化

對起重機吊重工況進行分析，定起重臂OA的臂長為l，仰角為θ，自重為G，轉動慣量為J；CBO為門架，OB為門架的撐桿；AB為起重臂與門架之間的變幅鋼絲繩，變幅鋼絲繩單向受拉，起重臂與變幅鋼絲繩之間的夾角為φ；吊重F作用在臂尖的鵝頭上，鵝頭距臂尖為l0；起重臂質心距鉸點為s。建立起重機-重錘模型，如圖1所示。

圖1 起重臂-重錘模型簡圖

在施加吊重F后，變幅鋼絲繩伸長λ，變幅拉力增加至T。起重臂在變幅拉力T、起重臂自重G、吊重F三者作用下保持平衡，根據歐拉公式，可建立方程

Gscosθ+F(lcosθ+l0)=Tlsinφ

(1)

取K為變幅鋼絲繩等效剛度，有變幅鋼絲繩的伸長量

(2)

由于起重臂自重、結構參數、運動參數均為定值，變幅鋼絲繩伸長量λ將隨吊重F變化而變化。起重臂反彈振動的驅動力主要來自卸載后變幅系統回彈。根據卸載過程中及卸載后λ的變化，起重臂的運動可用動力學方程描述如下

(3)

式(3)中第一個方程描述了起重臂卸載回彈的動態過程，第二個方程描述了起重臂以一定的初速自由撞擊防后傾裝置的動態過程。當λ>0時，吊重F的變化實現了起重臂在這一階段的回轉角加速度控制。這一段加速過程決定了后一階段起重臂自由回轉撞擊防后傾裝置的初始條件。

1.2 柔性卸載原理

由于重錘突然釋放時鋼絲繩拉力變化劇烈，直接控制鋼絲繩的拉力極為困難。為解決這一問題，在起重機和重錘之間串聯一個力控機構，將鋼絲繩的拉力控制轉變為重錘的慣性力控制，通過重錘逐步加速，延長吊重F的變化時間，將重錘突然卸載轉變為柔性卸載。柔性卸載原理如圖2所示。

圖2 柔性卸載原理

圖2中，起重機簡化為一彈簧，通過力控機構與重錘相連，初始時

F=G

(4)

加速度：

(5)

速度：

(6)

由于變幅鋼絲繩的伸長量相對于臂長而言為極小量，重錘下放過程中，起重臂繞鉸點向上擺動的幅度可忽略不計，則重錘在加速下放過程中將作負功，懸吊重錘的拉力為時間函數F(t)，拉力為起重臂反彈所作負功可表示為

(7)

根據牛頓第二定律，重錘m作變加速運動，有

F(t)=mg-ma

(8)

由a=α0t，則有

F(t)=mg-mα0t

(9)

將式(6)、(9)代入(7)中，有

(10)

式(10)描述了恒加加速度條件下卸載器所作的負功，這是從前突然卸載技術研究所忽略的，也是柔性卸載與突然卸載之間的重要區別。

1.3 關鍵參數

在吊重拉力F(t)逐漸變小的過程中，變幅鋼絲繩緩慢收縮，拉動起重臂繞鉸點轉動，起重臂獲得一定的轉動速度。忽略起重臂勢能增量和變幅鋼絲繩動能增量，在吊重拉力作用下變幅鋼絲繩上的彈性勢能逐漸轉化為起重臂的動能，由能量法有

(11)

式(11)表明，卸載器所作負功與起吊時結構彈性勢能增量之差決定了起重臂反彈狀態。若重錘下放所作的負功抵消了起重機因起吊重錘產生的結構彈性勢能增量，則卸載后，起重臂繞鉸點僅緩慢轉動至起吊前的平衡狀態。為了抑制起重機卸載沖擊，需要滿足條件

(12)

將式(10)代入式(12)中有

(13)

整理后，有

(14)

從式(14)可知，變幅鋼絲繩變形量、變幅剛度系數和吊重質量共同決定起重機柔性卸載時間參數t0。在時間t0內，拉力F(t)減小為零是抑制起重機卸載沖擊的關鍵。

2 關鍵參數仿真

為了驗證柔性卸載理論模型，為卸載裝置設計提供指標，現以用于動力固結的典型履帶起重機為對象，進行不同卸載時間的多體仿真。起重機樣機如圖3所示，額定沖擊能為3 000 kN·m，臂長為26 m，強夯作業時，起重臂仰角為78°，起重臂與變幅鋼絲繩的夾角為12.5°，起重臂質心距鉸點為s=13 m，起重臂自重G=4 300 kg，錘重m=20 000 kg，吊鉤重m0=1 200 kg，變幅系統等效剛度為K=1.65×107N/m。

圖3 起重機樣機

起重臂和門架為桁架結構，為模擬起重臂和門架的結構彈性，采用有限元法對桁架結構進行建模，生成描述結構動態特性的模態中性文件；變幅系統由變幅鋼絲繩和變幅拉桿串聯而成，將變幅系統簡化為彈簧與剛性拉桿串聯結構，彈簧剛度為變幅系統等效剛度；忽略卸載時起重機在地面上的滑移振動，將履帶底盤進行剛體建模后與地面固定；建立重錘與吊鉤之間的滑動副，通過重錘與吊鉤之間的變加速運動模擬重錘從靜止進入失重狀態；防后傾裝置為彈簧與連桿串聯結構，其兩端為鉸鏈，分別與門架和起重臂鉸接。在ADAMS中組裝起重機各個部件，建立起重機剛柔耦合模型，進行卸載沖擊仿真，如圖4所示。

圖4 起重機卸載沖擊仿真

圖4中，重錘以恒加加速度相對于吊鉤向下運動，同時起重臂反彈撞擊防后傾裝置，以防后傾裝置的緩沖行程為指標評價不同變加速運動下起重機卸載沖擊響應。改變重錘和吊鉤之間滑動副的運動參數，進行不同卸載時間的卸載工況仿真，參數選擇范圍為0.1～1.0 s。10個卸載工況的防后傾裝置的最大緩沖行程如圖5所示。

圖5 卸載時間與最大緩沖行程之間關系

圖5中，卸載時間為0.1 s的工況，防后傾裝置的最大緩沖行程為112 mm，起重臂反彈沖擊劇烈；隨著卸載時間延長，防后傾裝置的最大緩沖行程逐漸變小；卸載時間超過0.6 s的仿真工況，最大緩沖行程范圍為26～27 mm，且隨卸載時間變化平緩，控制卸載時間對起重臂減振的影響減弱。

根據式(14)計算柔性卸載時間為

(15)

即，吊重在0.6 s內緩慢釋放，起重機大部分彈性勢能將被重錘作負功吸收，多體仿真結果與理論計算吻合。卸載裝置的設計目標為吊重在0.6 s內逐漸加速至失重狀態。

吊重作變加速運動引起起重臂臂尖的拉力變化。取重錘變加速卸載時間為0.6 s，臂尖拉力的動態響應如圖6所示。

圖6 臂尖的拉力動態響應

圖6中，受重錘加速下放影響，臂尖拉力在4～4.6 s內從212 kN下降至0，臂尖拉力緩慢變小促使起重機緩慢回彈；卸載后，臂尖拉力以重錘的重力12 kN為平衡點作周期性小幅振動，說明重錘變加速卸載限制了臂尖拉力的波動范圍，改善了吊鉤的抖動。

3 裝置設計與仿真

3.1 卸載裝置設計

柔性卸載裝置置于起重臂臂尖和重錘之間，由壓力可控的液壓油缸和自動掛鉤器組成，由起升鋼絲繩牽拉整體向上慢速提升，由液壓油缸的壓力控制實現重錘向下的變加速運動，由自動掛鉤器抓取和釋放重錘，如圖7所示。

圖7 柔性卸載裝置結構圖

圖7中，自動掛鉤器置于液壓油缸與重錘之間，與液壓油缸的活塞桿固結，具備鎖定和分離兩個狀態。液壓系統控制液壓油缸的有桿腔液壓力變化，為活塞桿上下往復運動提供動力。柔性卸載器的液壓系統原理圖如圖8所示。

圖8 液壓系統原理圖

圖8中，液壓系統包括液壓缸、插裝閥、單向閥、電磁換向閥、溢流閥和安全閥，其中插裝閥的進油口與油缸的有桿腔相連，插裝閥的出油口與蓄能器相連，插裝閥的控制端與安全閥的進油口相連，形成卸荷油路。單向閥串接在液壓缸和蓄能器之間，單向閥的出油口與液壓缸的有桿腔相連，單向閥的進油口與蓄能器相連，形成回油油路。溢流閥的設定壓力從低到高各不相同，通過依次開啟電磁換向閥，控制插裝閥控制端的壓力逐次降低，實現液壓缸有桿腔的壓力逐步下降，重錘向下運動的加速度逐步增加。

隨著液壓缸的有桿腔的液壓力降低，懸吊鋼絲繩拉力逐漸減小。當最低設定壓力的溢流閥開啟后，觸發繩牽拉自動掛鉤器的操縱桿，觸發自動掛鉤器釋放重錘。

重錘釋放后，液壓缸的活塞桿向下運動的速度隨蓄能器的壓力升高而減小，最終液壓缸的活塞桿向下運動的速度減為零。由于蓄能器提供的液壓力大于自動掛鉤器的自重，活塞桿向上復位至初始狀態。

3.2 動力學仿真

為了分析重錘沖擊地面的沖擊能損失，采用多體動力學理論，在ADAMS中建立柔性卸載器的多體仿真模型如圖9所示。

圖9 柔性卸載器多體仿真模型

柔性卸載器仿真模型包含鋼絲繩、缸筒、活塞桿、自動掛鉤器、重錘四個部件，缸筒質量1 000 kg，活塞桿質量100 kg，自動掛鉤器質量500 kg，重錘質量20 000 kg。將起重機的結構彈性等效為懸吊缸筒的鋼絲繩剛度，通過線性彈簧模擬起重機卸載回彈。缸筒通過鋼絲繩與固定端固連，活塞桿與缸筒之間為滑動副，活塞桿與自動掛鉤器之間為固定副，自動掛鉤器與重錘之間為固定副。缸筒與活塞桿之間設置時變的雙向拉力載荷，用于模擬液壓缸有桿腔中的液壓油壓力，在一定時間內有桿腔壓力逐級降為0，如圖10所示。

圖10 液壓力階梯型下降時序圖

圖10中的時間間隔為0.15 s，總共有四個壓降，分別是總壓降的10%，30%，30%和20%。在有桿腔壓力降為零的瞬間，自動掛鉤器與重錘之間的固定副失效，自動掛鉤器與重錘分離。取柔性卸載時間為0.6 s，進行多體動力學仿真。

圖11中，自動掛鉤器與重錘分離時，重錘的速度為2.7 m/s，重錘運動的絕對行程為557 mm。以重錘提升高度為20 m計，經過柔性卸載，重錘的沖擊能損失量為額定沖擊能的1%。因此，對于動力固結而言，柔性卸載對沖擊能損失的影響可忽略不計。

圖11 活塞桿位移和彈簧力仿真結果

4對比試驗

4.1 突然卸載試驗

傳統卸載器通過破壞起吊裝置的穩定性達到突然釋放載荷的目的。為準確測定突然卸載瞬間拉力的動態變化，建立突然卸載試驗裝置如圖12所示。

圖12 突然卸載試驗裝置

圖12中，試驗裝置由吊鉤、拉力傳感器、傳統卸載器和砝碼通過鋼絲繩依次串接而成。其中，卸載器包括掛鉤、操縱桿和吊環，通過掛鉤起吊砝碼。卸載器的操縱桿通過鋼絲繩與地面固定，起吊砝碼后，卸載器的操縱桿被鋼絲繩牽拉而轉動。卸載器的操縱桿控制掛鉤轉動，由操縱桿牽拉觸發掛鉤釋放砝碼。為獲取卸載器的動響應，起吊14 t砝碼后，穩定一段時間，起升機構再向上勻速提升砝碼，直到鋼絲繩繃緊牽拉操縱桿釋放砝碼。突然卸載試驗如圖13所示。

圖13 突然卸載試驗

采集拉力傳感器從起升到卸載全過程的實時拉力信號，如圖14所示。

圖14 拉力時域響應

圖14中，拉力包括空載、加載、卸載的全過程動態響應。將砝碼釋放瞬間108.5～108.8 s的拉力響應放大可知，拉力從最高值降為最低值的時間為0.1 s。由于卸載過程中吊重位移小，卸載器作功通常被忽略。

4.2 柔性卸載試驗

柔性卸載器通過控制懸吊空中的重錘逐漸加速進入失重狀態，抑制卸載沖擊。為驗證柔性卸載裝置的可行性，建立柔性卸載試驗臺進行柔性卸載試驗，如圖15所示。

圖15 柔性卸載試驗臺

圖15中，柔性卸載器懸吊在移動龍門架的橫梁下方，砂箱置于柔性卸載器下方。整個試驗臺高6.5 m，砂箱體積為3 m×1.2 m×0.8 m，質量5.5 t。龍門架與柔性卸載器之間通過拉力傳感器相連，拉力傳感器型號為BLR-DGA-20T，額定載重20 t，用于測量卸載過程中拉力響應。卸載器上安裝激光傳感器，型號為ODSL96B，測量行程為1 000 mm，用于測量卸載過程中活塞桿的運動。柔性卸載試驗如圖16所示。

圖16 柔性卸載試驗

圖16中，柔性卸載器由液壓驅動。初始時，柔性卸載裝置中的液壓力平衡砂箱的重力；柔性卸載器內液壓力在0.6 s的時間內按照60 bar、40 bar、20 bar、10 bar共4級壓力下降，隨著柔性卸載器的液壓力逐級降低，砂箱在重力作用下逐漸向下加速；當砂箱加速至接近重力加速度時，自動掛鉤器的操縱桿被觸發繩牽拉，觸發自動掛鉤器與砂箱分離。測定兩次卸載試驗中拉力傳感器的力響應和激光傳感器的位移響應，如圖17所示。

圖17 力和位移響應

從兩個試驗的拉力看，在1～1.6 s時間范圍內，拉力傳感器的拉力響應相似，均從70 kN逐漸下降至15 kN，即龍門架橫梁所受的拉力緩慢變小，實現了柔性卸載；從位移看，活塞桿向下運動至最大行程點后，自動掛鉤器釋放砂箱，自動掛鉤器在蓄能器作用下減速并向上復位至初始狀態；對比位移和拉力響應，砂箱與柔性卸載器分離后，龍門架橫梁下僅懸掛柔性卸載器，拉力以柔性卸載器的重力15 kN為平衡點振動。對比圖14和圖17可知，拉力變化時間從0.1 s被延長至0.6 s，即通過液壓力控制將突然卸載轉變為柔性卸載，且試驗具備重復性。

5 結 論

(1) 分析了卸載過程中起重機與卸載器之間的相互作用機理，研究了結構彈性勢能與卸載器耗能之間的規律，提出了描述柔性卸載器耗能量的數學模型，建立了抑制卸載沖擊的關鍵參數；

(2) 采用剛柔耦合方法，建立了一型起重機虛擬仿真模型，通過系列卸載工況仿真研究，獲得了卸載時間與緩沖行程之間的關系，仿真結果與理論值吻合，驗證了關鍵參數表達式的正確性；

(3) 根據柔性卸載原理，研制了空中緩慢釋放重錘的柔性卸載器，建立了卸載試驗臺，實施了柔性卸載試驗，獲得了柔性卸載器的動響應，拉力在0.6 s時間內逐級下降證明了柔性卸載裝置的可行性。