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《河北工业大学》 2016年
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动臂塔式起重机动态特性及优化设计研究

崔少杰  
【摘要】:塔式起重机在当今的建筑施工中起着举足轻重的作用,随着建筑群密集程度的增加,施工空间逐渐减小,而动臂塔式起重机(简称动臂塔机)由于回转半径小、起升高度大等特点,所以越来越受到工程界的关注。但在实际工程应用中,动臂塔机的运转速度和吊重质量不断提高,所产生的动载荷也随之增大,振动问题日益加剧,特别是动臂塔机采用起重臂俯仰的方式实现变幅,动态特性极为复杂,因此,研究动臂塔机的振动问题,即研究动态特性已成为工程机械领域广泛关注的课题。本文紧密结合工程实际,对动臂塔机的动态特性进行了深入研究,取得了以下创新成果。(1)完成了动臂塔机的静力学研究,分析了风载荷方向、起重臂仰角对动臂塔机强度、稳定性、静刚度的影响。在吊重质量、风速不变情况下,起重臂在水平面内的投影与塔身截面对角线重合时,塔身应力最大,且最大应力与风向无关;当起重臂仰角越大时,风载荷越大;工作状态下,“后向风”对塔机静强度影响较大,非工作状态下,“侧向风”对塔机静强度影响较大;“侧向风”对动臂塔机的稳定性和静刚度影响较大。(2)分析了动臂塔机的运动与结构对固有频率的影响,利用少自由度模型法和有限元法分别建立了动臂塔机的动力学模型,并进行动力学计算,给出了起重臂仰角和回转角对固有频率和主振型的影响规律。起重臂仰角对固有频率的影响较大,回转角对固有频率的影响较小;不同阶次的固有频率随起重臂仰角的变化规律不同,个别阶次固有频率对应的主振型在起重臂小仰角和大仰角时会相互转化。另外,对不同仰角下施加不同方向的简谐力进行了谐响应分析,确定了影响动臂塔机动刚度最大的固有频率。(3)分析了动臂塔机在不同工况下的动力特性,得到了关键节点位移响应和塔身、起重臂最大应力响应。当吊重离地起升和下降制动时,动臂塔机的振动主要在起升平面内;起重臂仰角越大,动载荷的影响越大,塔身动载系数越大;塔机回转启动时,回转加速度引起的动载荷主要影响起重臂,对塔身影响较小。(4)对动臂塔机在不同仰角下进行了地震波时程分析和反应谱响应分析。结果表明,在地震波冲击下动臂塔机产生振动时,吊重质量只影响塔机动位移和动应力的最大值,不影响振幅;当起重臂仰角较小时,塔机的“点头”运动较大,起重臂容易发生折断;当起重臂仰角较大时,塔机的前后俯仰运动较大,容易造成塔身的损坏;动臂塔机起升平面内倾覆的可能性较大,侧向倾覆的可能性较小;水平面内的地震波对动臂塔机的危害大于竖向地震波的危害。(5)以提高动刚度为目的对动臂塔机进行了动态优化设计。把影响动臂塔机动刚度最大的固有频率作为目标函数,对关键部件尺寸参数进行灵敏度分析,确立了设计变量,以结构强度、静刚度、最大动位移、质量和单支稳定性等为约束条件,建立了动臂塔机动态优化设计的数学模型。优化结果显示动臂塔机的低阶固有频率有显著提高,动刚度明显增强,同时塔身静位移也有了改善,整机质量减轻。以上研究成果和结论为动臂塔机的设计提供了理论基础,同时也可为制定塔机的施工规范提供理论指导。
【学位授予单位】:河北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TU61

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