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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。
【关键词】:动臂塔式起重机 动态特性 模态分析 优化设计 有限元法
【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
【目录】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-12
  • 第一章 绪论12-24
  • 1.1 课题来源及研究的目的和意义12-13
  • 1.2 国内外动臂塔机发展现状13-19
  • 1.2.1 塔机的分类及应用13-14
  • 1.2.2 国外动臂塔机的发展现状14-16
  • 1.2.3 国内动臂塔机的发展现状16-17
  • 1.2.4 动臂塔机的移动配重技术17-18
  • 1.2.5 动臂塔机的防后倾装置18-19
  • 1.2.6 动臂塔机的发展前景19
  • 1.3 动臂塔机动态性能研究现状19-21
  • 1.3.1 研究现状19-20
  • 1.3.2 存在的问题分析20-21
  • 1.4 论文研究的主要内容21-23
  • 1.5 论文结构23
  • 1.6 本章小结23-24
  • 第二章 动臂塔机的静力学分析24-46
  • 2.1 动臂塔机概述24-28
  • 2.1.1 动臂塔机的结构24-25
  • 2.1.2 动臂塔机承受的载荷25-27
  • 2.1.3 载荷处理27-28
  • 2.2 动臂塔机静力学分析28-32
  • 2.2.1 强度分析28
  • 2.2.2 塔身稳定性分析28-29
  • 2.2.3 塔身静刚度分析29-32
  • 2.3 动臂塔机有限元模型的建立32-35
  • 2.3.1 动臂塔机的结构参数32-33
  • 2.3.2 动臂塔机的有限元模型33-35
  • 2.4 风载荷对动臂塔机强度的影响35-40
  • 2.4.1 工作状态风载荷计算35-36
  • 2.4.2 非工作状态风载荷计算36
  • 2.4.3 风载荷作用下的应力计算36-37
  • 2.4.4 工作状态风载荷对动臂塔机的强度影响37-38
  • 2.4.5 非工作状态风载荷对动臂塔机的强度影响38-39
  • 2.4.6 风载荷对动臂塔机强度的影响规律39-40
  • 2.5 塔身稳定性计算40-43
  • 2.5.1 不平衡力矩40-41
  • 2.5.2 横向载荷引起的弯矩41
  • 2.5.3 塔身截面特性参数41-42
  • 2.5.4 塔身整体稳定性42-43
  • 2.6 塔身静刚度计算43-44
  • 2.7 本章小结44-46
  • 第三章 动臂塔机的动态特性分析46-64
  • 3.1 动臂塔机动刚度概述46-47
  • 3.1.1 动臂塔机动刚度概念46
  • 3.1.2 动臂塔机的动力学建模方法46-47
  • 3.2 动臂塔机动刚度计算47-50
  • 3.2.1 振动系统的动力学模型47-49
  • 3.2.2 三质量三自由度系统49-50
  • 3.2.3 有限元法动力学模型50
  • 3.3 动力学模型实例求解50-57
  • 3.3.1 三质量三自由度系统固有频率计算50-51
  • 3.3.2 有限元模型固有频率计算51-54
  • 3.3.3 动臂塔机主振型54-57
  • 3.4 动臂塔机谐响应分析57-63
  • 3.4.1 谐响应分析原理57-59
  • 3.4.2 动臂塔机谐响应分析59-63
  • 3.4.2.1 Y方向激励59-60
  • 3.4.2.2 X方向激励60-62
  • 3.4.2.3 Z方向激励62-63
  • 3.5 本章小结63-64
  • 第四章 动臂塔机的实际工况下动响应分析64-78
  • 4.1 动臂塔机的工作过程分析64
  • 4.2 典型工况载荷特性分析64-67
  • 4.2.1 载荷离地起升工况64-66
  • 4.2.2 下降制动卸载工况66
  • 4.2.3 先起升后回转工况66-67
  • 4.3 阻尼的选取67-68
  • 4.4 动臂塔机动态特性分析68-76
  • 4.4.1 载荷离地起升工况计算68-71
  • 4.4.2 下降制动卸载工况计算71
  • 4.4.3 先起升后回转工况计算71-76
  • 4.5 本章小结76-78
  • 第五章 地震载荷对动臂塔机的影响分析78-98
  • 5.1 地震载荷对塔机的危害78
  • 5.2 动臂塔机地震响应分析方法78-79
  • 5.2.1 动力时程分析法78-79
  • 5.2.2 反应谱法79
  • 5.3 动臂塔机的地震时程分析79-92
  • 5.3.1 时程分析计算原理79-80
  • 5.3.2 地震波的选取80-81
  • 5.3.3 三向地震波时程分析81-88
  • 5.3.4 单向地震波时程分析88-92
  • 5.4 地震谱分析92-96
  • 5.4.1 地震影响系数曲线92-93
  • 5.4.2 地震谱计算93
  • 5.4.3 谱响应分析93-96
  • 5.5 本章小结96-98
  • 第六章 动臂塔机的动态优化设计98-108
  • 6.1 动态优化设计98-99
  • 6.1.1 动态优化设计方法98
  • 6.1.2 动态优化设计的数学模型98-99
  • 6.2 灵敏度分析99-100
  • 6.3 动臂塔机优化设计的数学模型100-103
  • 6.3.1 设计变量100
  • 6.3.2 目标函数100-101
  • 6.3.3 约束条件101-103
  • 6.4 动臂塔机优化设计结果103-107
  • 6.5 本章小结107-108
  • 第七章 结论及展望108-110
  • 7.1 主要结论108-109
  • 7.2 主要创新点109
  • 7.3 展望109-110
  • 参考文献110-116
  • 攻读学位期间所取得的相关科研成果116-118
  • 致谢118

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