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履帶式強夯機結(jié)構(gòu)晃動機理及影響參數(shù)分析

文檔作者：周波周君朱發(fā)浩文檔來源：徐工集團工程機械股份有限公司建設機械分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月08日
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履帶式強夯機結(jié)構(gòu)晃動機理及影響參數(shù)分析
周波周君朱發(fā)浩
徐工集團工程機械股份有限公司建設機械分公司 徐州 221002
摘要：采用理論分析、仿真計算以及現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，研究履帶式強夯機夯錘脫鉤后臂架反彈的
動態(tài)響應過程。以變幅拉索直徑作為單一變量參數(shù)，忽略地面硬度對強夯機晃動的影響，分析了強夯機晃動過
程中的能量轉(zhuǎn)化過程，確定了強夯機晃動幅度、周期以及防后傾桿受力與變幅拉索直徑間的關(guān)系。研究結(jié)果表
明，臂架晃動能量主要來源于變幅拉索儲能，臂架的反彈量隨變幅拉索直徑增大而減小。
關(guān)鍵詞：履帶式強夯機；變幅拉索；直徑；反彈量；分析
中圖分類號：TH213．7 文獻標識碼：A 文章編號：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 paper．
With the luffing cable diam eter as the single variable param eter，irrespective of the efect of ground hardness on wobbling
of the dynamic compactor，the energy conversion process during wobbling of the dynamic compactor is analyzed to de—
termine the wobbling am plitude，cycle，and relation between the stress of anti-hypsokinesis rod and lufing cable diameter．
The study result shows that the wobbling energy of arln support mainly derives from stored energy of the lufing cable，
and the rebound am oun~of the arm support reduces tll increase of lufing cable diameter．
Keywords：crawler dynamic compactor；lufing cable；diam eter；rebound amount；analysis
履帶式強夯機是一種通過將夯錘提升到一定
高度后釋放夯錘來夯實地基¨ 的大型機械設備，
廣泛用于建筑、石化等行業(yè)。強夯機性能好壞主
要體現(xiàn)在機構(gòu)的可靠性、作業(yè)的安全性、結(jié)構(gòu)的
耐疲勞性等方面 J。在直觀方面，強夯機的穩(wěn)定
性和安全性主要體現(xiàn)在夯錘釋放后整車的晃動
上 J。本文針對目前強夯機工作時存在的車身晃
動量大，駕駛員操作安全感低的問題，對履帶式
強夯機夯錘脫鉤后臂架反彈的動態(tài)響應過程展開
研究，重點分析強夯機晃動過程中的能量轉(zhuǎn)化過
程，討論強夯機晃動的幅度、周期以及防后傾桿
受力與變幅拉索直徑之間的關(guān)系，并通過現(xiàn)場試
驗驗證計算結(jié)果的正確性。
1 模型建立
本文主要研究變幅拉索直徑對強夯機反彈晃
動的影響，簡化模型為地面與履帶剛性連接。以
某型號強夯機19 1'11臂長(變幅拉索長17．71 n1)，
7 in幅度(臂頭滑輪中心到回轉(zhuǎn)中心水平距離)，
7 t吊重工況作為研究對象。
通過Ansys—Workbench對臂架、人字架和轉(zhuǎn)臺
一82 一
的三維Pro—e模型進行前處理，在Ansys Classic
中進行模態(tài)計算，將計算結(jié)果保存為模態(tài)中性文
件MNF，再用ADAMS軟件直接讀取上述MNF文
件，形成柔性體，與在ADAMS中直接建模形成的
車架、夯錘等剛性體進行剛一柔耦合連接。為了
模擬臂架與人字架間只能承受拉力的變幅拉索及
轉(zhuǎn)臺與臂架間只承受壓力的防后傾，模型中通過
建立與相對位移成正比自定義彈簧來進行模擬。
ADAMS計算模型如圖1所示。
2 過程分析
2．1 夯錘脫鉤后系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過程
運用理論方法計算得到夯錘脫鉤前的變幅拉
索儲能和臂架應變能，通過仿真方法得到夯錘脫
鉤前臂架應變能和夯錘脫鉤后臂架速度最大時的
動能、勢能(此時防后傾處于受力前臨界狀態(tài)，
不存儲能量)，比較這2種方法得到的系統(tǒng)總能量
是否守恒及臂架應變能是否相等，并在此基礎上
分析夯錘脫鉤后系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化過程，判斷臂架
晃動的主要能量來源。
1)理論分析
《起重運輸機械》 2013(8)
圖1 ADAMS仿真計算模型
① 變幅拉索儲能
變幅拉索受拉時滿足
F=kAl (1)
式中：k為剛度系數(shù)，△Z為拉索伸長量。
根據(jù)材料力學l4 知識可知變幅拉索的伸長量
計算式為
△z= Fl (2)
式中：z為變幅拉索長度，E為彈性模量，A
為橫截面積。‘
聯(lián)立式(1)、式(2)可得
=丁EA
則變幅拉索儲存能量可表示為
P= = = ㈩
由式(3)可知，變幅拉索儲能與拉索的長度
呈正比，與拉索截面積呈反比。拉索彈性模量E=
1．0 x 10“Pa=1．0×lo5 N／m 2，長度f_17 710 mm，
根據(jù)力矩平衡原理，對臂架鉸點取矩，可求得夯
錘脫鉤前2根拉索受力都為45 920 N (3種直徑下
拉索力相同)。
拉索為圓截面，選取3種直徑拉索對比分析，
拉索直徑分別為20 mm、28 mm和40 mm。帶人式
(3)計算得到2根拉索共儲能
《起重運輸機械》 2013 (8)
P20 一： 2^× ：11．89×10 N ．mm
2 ×10 ×7c×10 一 ‘ ^ 。Ⅱ兒兒
P28=6．06 x 10 N ·mm，P4o：2．97×10 N ·mm
式中： 為20 inln直徑拉索儲能，P勰為28 nlnl
直徑拉索儲能，P 。為40 mm直徑拉索儲能。
② 臂架應變能
根據(jù)功能轉(zhuǎn)化關(guān)系可知臂架的應變能為臂架
各根桿件受力做功之和(桿件受軸向力與法向
力)。
由于臂架模型十分復雜，難以直接通過計算
方法得到精確解，考慮到主要受力桿件為4根主
弦桿，腹桿主要起穩(wěn)定性作用，故而簡化模型為
只有4根主弦桿受軸向壓力作用，且主弦桿長度
等于主臂長度，為19 000 mm。力的大小通過夯錘
重量與變幅拉索力向主弦桿方向投影得到。
計算可知桿受到軸向壓力152．4 kN，每根桿
受力38．1 kN。主弦桿截面積為1 419．2 mm ，彈
性模量為2．1×10 N·mm。因主弦桿變形在線彈
性范圍內(nèi)，力做功為
= 2FA1 (4)
式中：Al為主弦桿在力方向上變形量，可由
式(2)計算得到。
因此，可知力做功表達式與式(3)相同，則
帶人式(3)計算可求得臂架應變能近似值為
Pyb
： 1．85× 10 N ．mm
2)仿真計算
① 臂架動能、勢能
圖2為ADAMS仿真計算得到的不同拉索直徑
下的臂架動能曲線。分析曲線可知臂架動能在夯
錘釋放呈周期性規(guī)律變化，每次防后傾桿起作用
時，臂架動能都有相對較大幅度的衰減。
為了計算方便，取夯錘脫鉤前臂架重心位置
為勢能零點。由圖4臂架重心豎直方向位移曲線
可知，3種直徑拉索條件下臂架動能最大時重心上
升高度分別為17．7 mm、10．1 mm和6．64 mm。臂
架自重1．926 t，由此可計算臂架在動能最大時的
勢能(見表1)。
② 臂架應變能
圖3為臂架的應變能曲線，這部分能量是臂
一83 —
舍
暈
Z
三
毒
2
翻
l
芝
毯
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
0xl
Oxl
(b)變幅拉索直徑28 mnl
圖2 臂架動能曲線
架變形而存儲的能量，它與夯錘質(zhì)量、拉索力大
小以及臂架系統(tǒng)自身的強度有關(guān)，與拉索的直徑
粗細無關(guān)，故3種直徑拉索條件下的臂架仿真計
算得到的初始應變能值相同。
l
乏
圖3 臂架應變能曲線
由圖3可知，在夯錘釋放前，3種拉索直徑條
件下臂架的應變能大小都為1．71 X 10 N·mm。
3)強夯機晃動能量轉(zhuǎn)化過程分析
表1為理論計算與仿真計算結(jié)果的數(shù)據(jù)對比，
由表中數(shù)據(jù)可知，3種拉索直徑下理論計算得到的
一84 一
夯錘脫鉤前系統(tǒng)總能量均略大于仿真計算得到的
系統(tǒng)總能量，理論與仿真計算得到的應變能值接
近相等。考慮到理論分析求解應變能簡化處理造
成的誤差，以及仿真模型中阻尼能損耗造成系統(tǒng)
總能量的減少，可以確定理論和仿真計算結(jié)果相
吻合，系統(tǒng)能量守恒。
表1 晃動能量理論計算與仿真計算結(jié)果對比
l0 N ．mm
理論計算 仿真計算
拉索 變幅 應變 總能
直徑 拉索 動能 勢能 總能 應變
／ 能 量 量 能
rnnl 儲能
20 11．9 1．85 13．7 8．72 3．41 12．1 1．71
28 6．o6 1．85 7．91 4．50 1．95 6．45 1．71
40 2．97 1．85 4．82 2．63 1．35 3．98 1．71
通過計算可以得到，在直徑為20 mm時，變
幅拉索儲能占能量來源的86．5％ ，直徑為28 mm
時密度為"／6．6％ ，直徑為40 mm時為61．6％。數(shù)
據(jù)表明變幅拉索儲能大于臂架應變能，在拉索直
徑較小時尤為明顯。
由此可以得到強夯機臂架反彈過程中能量轉(zhuǎn)
化過程為：在夯錘釋放瞬間，變幅拉索儲存能量
和臂架自身應變能在極短時間內(nèi)釋放，轉(zhuǎn)變?yōu)楸?
架的動能、勢能以及阻尼能，系統(tǒng)能量守恒；臂
架動能主要來源于變幅拉索儲能而不是臂架的應
變能。
對比3種直徑拉索變幅拉索儲能值可知變幅拉
索儲能隨拉索直徑增大而減小。拉索直徑由20 Innl
增大到28 Inln時，拉索儲能減少5．84 X 10 N·mill；
拉索直徑由28 him增大到40 mm時，拉索儲能減
少3．09 X10 N·mm。由此可知，當拉索直徑較小
時，增大拉索直徑，拉索儲能減小明顯；當拉索
直徑較大時，增大拉索直徑，拉索儲能變化量
較小。
2．2 變幅拉索直徑對強夯機晃動和防后傾支反力
的影響
圖4為3種直徑拉索條件下臂架重心反彈位移
曲線，圖5為防后傾桿F—t曲線。由表2數(shù)據(jù)可
知，變幅拉索直徑由20 ITlm增大到28 nun時，臂架
豎直位移減少27 mm，防后傾力減少1 850 N；直徑
《起重運輸機械》 2013(8)
由28 mm增大到40 mill時，豎直位移減少15 m／n，
防后傾力減小990 N。這表明拉索直徑較小時，增
大拉索直徑能夠有效地減小臂架的反彈量和防后
傾桿受力；在拉索直徑較大時，繼續(xù)增大拉索直
徑，對臂架反彈和防后傾桿受力改善幅度較小。
綜合比較3種拉索直徑下臂架重心S—t曲線
和防后傾F—t曲線，可得到如下結(jié)論：變幅拉索
直徑越大，臂架反彈量越小，強夯機穩(wěn)定性越好，
安全性越高；臂架振動周期、平衡時間以及防后
傾桿受力都隨拉索直徑增大而減小。
圖4 臂架重心豎直方向S—t曲線
表2 臂架晃動參數(shù)比較
變幅拉 臂架重心豎 最大振 平衡 防后傾最大
索直徑 直方向反彈 動周期 時間 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
《起重運輸機械》 2013(8)
圖5 防后傾桿F—t曲線
3 試驗分析
現(xiàn)場試驗工況為：主臂長度19 m、幅度7．0 m，
夯錘質(zhì)量7 t，臂架位置正前方。圖6為變幅拉索
直徑28 mm時仿真計算吊重工況下系統(tǒng)應力分布
云圖。圖7為臂架應變片測點分布示意圖。這里
選取具有代表性的幾個測點與仿真結(jié)果比較分析，
其中測點1為頂節(jié)臂危險點，測點5、8為臂頭危
險點，測點17、18為底節(jié)臂危險點，測點21、22
為防后傾桿著力點。結(jié)果數(shù)據(jù)對比見表3。
表3 結(jié)構(gòu)應力試驗結(jié)果
＼ ＼
＼ 應力 試驗測點 仿真應力
測點＼＼ 應力／MPa ／MPa 誤差
＼
1 16．52 22．78 37．89％
2 —75．39 —78．32 3．89％
5 4．83 6．17 27．7％
一85 —
續(xù)表3
＼＼ 應力 試驗測點 仿真應力
測點 ＼＼ 應力／MP 誤差
a ／MPa
＼
8 —45．92 —45．56 0．79％
17 —19．32 一l8．05 6．57％
l8 —52．08 —73．3l 40．7％
21 —6．09 —6．22 2．13％
22 —5．65 —6．36 12．57％
圖6 應力分布云圖
圖7 臂架應變片測點分布示意圖
從表3數(shù)據(jù)可以看到，除了少數(shù)測點誤差較
大外，大部分測點的計算值與實測值接近相等，
這是因為仿真計算時對模型進行了簡化處理，很
難避免在一些受力點處出現(xiàn)應力集中、計算值偏大
的現(xiàn)象。因此，可以認為強夯試驗臂架實測應力
與仿真計算應力分布情況一致，仿真計算結(jié)果正
確， 其結(jié)果可用于強夯機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及確定強
夯機減少晃動量的改進方向。
4 結(jié)論
1)通過理論分析與仿真計算相結(jié)合分析得到
強夯機臂架反彈過程中能量轉(zhuǎn)化過程：在夯錘釋
放瞬間，變幅拉索儲存能量和臂架自身應變能在
極短時間內(nèi)釋放，轉(zhuǎn)變?yōu)楸奂艿膭幽堋菽芤约?
阻尼能；臂架動能主要來源于變幅拉索儲能而不
是臂架的應變能。
2)臂架反彈過程中，防后傾桿受力隨拉索直
徑的增大而減小；拉索直徑越大，臂架反彈量越
小，振動周期越短，平衡時間也越短；在拉索直徑
較小時，增大拉索直徑能夠有效減小臂架的反彈量
和防后傾桿受力，拉索直徑較大時，增大拉索直徑，
對臂架反彈和防后傾桿受力改善幅度較小。
3)吊重工況試驗與吊重仿真計算結(jié)果一致。
增大變幅拉索直徑是減少臂架晃動、增強系統(tǒng)穩(wěn)
定性的一個有效途徑。
參考文獻
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[4]劉鴻文．材料力學[M]．北京：高等教育出版社，
2n03．
作 者：周君
地 址：中國江蘇省徐州經(jīng)濟開發(fā)區(qū)桃山路19號
郵 編：221002
收稿日期：2013—02—04
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稿，敬請諒解。 《起重運輸機械》編輯部
一86一 《起重運輸機械》 2013 (8)

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