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履帶式強(qiáng)夯機(jī)結(jié)構(gòu)晃動(dòng)機(jī)理及影響參數(shù)分析

文檔作者：周波周君朱發(fā)浩文檔來(lái)源：徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司建設(shè)機(jī)械分公司			點(diǎn) 擊數(shù)：
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履帶式強(qiáng)夯機(jī)結(jié)構(gòu)晃動(dòng)機(jī)理及影響參數(shù)分析
周波周君朱發(fā)浩
徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司建設(shè)機(jī)械分公司 徐州 221002
摘要：采用理論分析、仿真計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究履帶式強(qiáng)夯機(jī)夯錘脫鉤后臂架反彈的
動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。以變幅拉索直徑作為單一變量參數(shù)，忽略地面硬度對(duì)強(qiáng)夯機(jī)晃動(dòng)的影響，分析了強(qiáng)夯機(jī)晃動(dòng)過(guò)
程中的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，確定了強(qiáng)夯機(jī)晃動(dòng)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(dòng)能量主要來(lái)源于變幅拉索儲(chǔ)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(qiáng)夯機(jī)；變幅拉索；直徑；反彈量；分析
中圖分類號(hào)：TH213．7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(qiáng)夯機(jī)是一種通過(guò)將夯錘提升到一定
高度后釋放夯錘來(lái)夯實(shí)地基¨ 的大型機(jī)械設(shè)備，
廣泛用于建筑、石化等行業(yè)。強(qiáng)夯機(jī)性能好壞主
要體現(xiàn)在機(jī)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(qiáng)夯機(jī)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(dòng)
上 J。本文針對(duì)目前強(qiáng)夯機(jī)工作時(shí)存在的車身晃
動(dòng)量大，駕駛員操作安全感低的問(wèn)題，對(duì)履帶式
強(qiáng)夯機(jī)夯錘脫鉤后臂架反彈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程展開
研究，重點(diǎn)分析強(qiáng)夯機(jī)晃動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化過(guò)
程，討論強(qiáng)夯機(jī)晃動(dòng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試
驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)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(duì)強(qiáng)夯機(jī)反彈晃
動(dòng)的影響，簡(jiǎn)化模型為地面與履帶剛性連接。以
某型號(hào)強(qiáng)夯機(jī)19 1'11臂長(zhǎng)(變幅拉索長(zhǎng)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(duì)象。
通過(guò)Ansys—Workbench對(duì)臂架、人字架和轉(zhuǎn)臺(tái)
一82 一
的三維Pro—e模型進(jìn)行前處理，在Ansys Classic
中進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，將計(jì)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(jìn)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(tái)與臂架間只承受壓力的防后傾，模型中通過(guò)
建立與相對(duì)位移成正比自定義彈簧來(lái)進(jìn)行模擬。
ADAMS計(jì)算模型如圖1所示。
2 過(guò)程分析
2．1 夯錘脫鉤后系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程
運(yùn)用理論方法計(jì)算得到夯錘脫鉤前的變幅拉
索儲(chǔ)能和臂架應(yīng)變能，通過(guò)仿真方法得到夯錘脫
鉤前臂架應(yīng)變能和夯錘脫鉤后臂架速度最大時(shí)的
動(dòng)能、勢(shì)能(此時(shí)防后傾處于受力前臨界狀態(tài)，
不存儲(chǔ)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(yīng)變能是否相等，并在此基礎(chǔ)上
分析夯錘脫鉤后系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程，判斷臂架
晃動(dòng)的主要能量來(lái)源。
1)理論分析
《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2013(8)
圖1 ADAMS仿真計(jì)算模型
① 變幅拉索儲(chǔ)能
變幅拉索受拉時(shí)滿足
F=kAl (1)
式中：k為剛度系數(shù)，△Z為拉索伸長(zhǎng)量。
根據(jù)材料力學(xué)l4 知識(shí)可知變幅拉索的伸長(zhǎng)量
計(jì)算式為
△z= Fl (2)
式中：z為變幅拉索長(zhǎng)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(chǔ)存能量可表示為
P= = = ㈩
由式(3)可知，變幅拉索儲(chǔ)能與拉索的長(zhǎng)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(zhǎng)度f(wàn)_17 710 mm，
根據(jù)力矩平衡原理，對(duì)臂架鉸點(diǎn)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(duì)比分析，
拉索直徑分別為20 mm、28 mm和40 mm。帶人式
(3)計(jì)算得到2根拉索共儲(chǔ)能
《起重運(yùn)輸機(jī)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(chǔ)能，P勰為28 nlnl
直徑拉索儲(chǔ)能，P 。為40 mm直徑拉索儲(chǔ)能。
② 臂架應(yīng)變能
根據(jù)功能轉(zhuǎn)化關(guān)系可知臂架的應(yīng)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(fù)雜，難以直接通過(guò)計(jì)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(jiǎn)化模型為
只有4根主弦桿受軸向壓力作用，且主弦桿長(zhǎng)度
等于主臂長(zhǎng)度，為19 000 mm。力的大小通過(guò)夯錘
重量與變幅拉索力向主弦桿方向投影得到。
計(jì)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(jì)算得到。
因此，可知力做功表達(dá)式與式(3)相同，則
帶人式(3)計(jì)算可求得臂架應(yīng)變能近似值為
Pyb
： 1．85× 10 N ．mm
2)仿真計(jì)算
① 臂架動(dòng)能、勢(shì)能
圖2為ADAMS仿真計(jì)算得到的不同拉索直徑
下的臂架動(dòng)能曲線。分析曲線可知臂架動(dòng)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(shí)，臂架動(dòng)能都有相對(duì)較大幅度的衰減。
為了計(jì)算方便，取夯錘脫鉤前臂架重心位置
為勢(shì)能零點(diǎn)。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(dòng)能最大時(shí)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(jì)算臂架在動(dòng)能最大時(shí)的
勢(shì)能(見(jiàn)表1)。
② 臂架應(yīng)變能
圖3為臂架的應(yīng)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(dòng)能曲線
架變形而存儲(chǔ)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(qiáng)度有關(guān)，與拉索的直徑
粗細(xì)無(wú)關(guān)，故3種直徑拉索條件下的臂架仿真計(jì)
算得到的初始應(yīng)變能值相同。
l
乏
圖3 臂架應(yīng)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(yīng)變能大小都為1．71 X 10 N·mm。
3)強(qiáng)夯機(jī)晃動(dòng)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程分析
表1為理論計(jì)算與仿真計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比，
由表中數(shù)據(jù)可知，3種拉索直徑下理論計(jì)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(jì)算得到的
系統(tǒng)總能量，理論與仿真計(jì)算得到的應(yīng)變能值接
近相等。考慮到理論分析求解應(yīng)變能簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果相
吻合，系統(tǒng)能量守恒。
表1 晃動(dòng)能量理論計(jì)算與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比
l0 N ．mm
理論計(jì)算 仿真計(jì)算
拉索 變幅 應(yīng)變 總能
直徑 拉索 動(dòng)能 勢(shì)能 總能 應(yīng)變
／ 能 量 量 能
rnnl 儲(chǔ)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(guò)計(jì)算可以得到，在直徑為20 mm時(shí)，變
幅拉索儲(chǔ)能占能量來(lái)源的86．5％ ，直徑為28 mm
時(shí)密度為"／6．6％ ，直徑為40 mm時(shí)為61．6％。數(shù)
據(jù)表明變幅拉索儲(chǔ)能大于臂架應(yīng)變能，在拉索直
徑較小時(shí)尤為明顯。
由此可以得到強(qiáng)夯機(jī)臂架反彈過(guò)程中能量轉(zhuǎn)
化過(guò)程為：在夯錘釋放瞬間，變幅拉索儲(chǔ)存能量
和臂架自身應(yīng)變能在極短時(shí)間內(nèi)釋放，轉(zhuǎn)變?yōu)楸?
架的動(dòng)能、勢(shì)能以及阻尼能，系統(tǒng)能量守恒；臂
架動(dòng)能主要來(lái)源于變幅拉索儲(chǔ)能而不是臂架的應(yīng)
變能。
對(duì)比3種直徑拉索變幅拉索儲(chǔ)能值可知變幅拉
索儲(chǔ)能隨拉索直徑增大而減小。拉索直徑由20 Innl
增大到28 Inln時(shí)，拉索儲(chǔ)能減少5．84 X 10 N·mill；
拉索直徑由28 him增大到40 mm時(shí)，拉索儲(chǔ)能減
少3．09 X10 N·mm。由此可知，當(dāng)拉索直徑較小
時(shí)，增大拉索直徑，拉索儲(chǔ)能減小明顯；當(dāng)拉索
直徑較大時(shí)，增大拉索直徑，拉索儲(chǔ)能變化量
較小。
2．2 變幅拉索直徑對(duì)強(qiáng)夯機(jī)晃動(dòng)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(shí)，臂架
豎直位移減少27 mm，防后傾力減少1 850 N；直徑
《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2013(8)
由28 mm增大到40 mill時(shí)，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(shí)，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(shí)，繼續(xù)增大拉索直
徑，對(duì)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(qiáng)夯機(jī)穩(wěn)定性越好，
安全性越高；臂架振動(dòng)周期、平衡時(shí)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(dòng)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(dòng)周期 時(shí)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(yùn)輸機(jī)械》 2013(8)
圖5 防后傾桿F—t曲線
3 試驗(yàn)分析
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況為：主臂長(zhǎng)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(shí)仿真計(jì)算吊重工況下系統(tǒng)應(yīng)力分布
云圖。圖7為臂架應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)分布示意圖。這里
選取具有代表性的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)與仿真結(jié)果比較分析，
其中測(cè)點(diǎn)1為頂節(jié)臂危險(xiǎn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)5、8為臂頭危
險(xiǎn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)17、18為底節(jié)臂危險(xiǎn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)21、22
為防后傾桿著力點(diǎn)。結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。
表3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果
＼ ＼
＼ 應(yīng)力 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn) 仿真應(yīng)力
測(cè)點(diǎn)＼＼ 應(yīng)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(yīng)力 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn) 仿真應(yīng)力
測(cè)點(diǎn) ＼＼ 應(yīng)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(yīng)力分布云圖
圖7 臂架應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)分布示意圖
從表3數(shù)據(jù)可以看到，除了少數(shù)測(cè)點(diǎn)誤差較
大外，大部分測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近相等，
這是因?yàn)榉抡嬗?jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，很
難避免在一些受力點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中、計(jì)算值偏大
的現(xiàn)象。因此，可以認(rèn)為強(qiáng)夯試驗(yàn)臂架實(shí)測(cè)應(yīng)力
與仿真計(jì)算應(yīng)力分布情況一致，仿真計(jì)算結(jié)果正
確， 其結(jié)果可用于強(qiáng)夯機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及確定強(qiáng)
夯機(jī)減少晃動(dòng)量的改進(jìn)方向。
4 結(jié)論
1)通過(guò)理論分析與仿真計(jì)算相結(jié)合分析得到
強(qiáng)夯機(jī)臂架反彈過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化過(guò)程：在夯錘釋
放瞬間，變幅拉索儲(chǔ)存能量和臂架自身應(yīng)變能在
極短時(shí)間內(nèi)釋放，轉(zhuǎn)變?yōu)楸奂艿膭?dòng)能、勢(shì)能以及
阻尼能；臂架動(dòng)能主要來(lái)源于變幅拉索儲(chǔ)能而不
是臂架的應(yīng)變能。
2)臂架反彈過(guò)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(dòng)周期越短，平衡時(shí)間也越短；在拉索直徑
較小時(shí)，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(shí)，增大拉索直徑，
對(duì)臂架反彈和防后傾桿受力改善幅度較小。
3)吊重工況試驗(yàn)與吊重仿真計(jì)算結(jié)果一致。
增大變幅拉索直徑是減少臂架晃動(dòng)、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)
定性的一個(gè)有效途徑。
參考文獻(xiàn)
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2n03．
作 者：周君
地 址：中國(guó)江蘇省徐州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)桃山路19號(hào)
郵 編：221002
收稿日期：2013—02—04
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稿，敬請(qǐng)諒解。 《起重運(yùn)輸機(jī)械》編輯部
一86一 《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2013 (8)

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