桥式起重机机电系统动力学研究现状及分析

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  起重机作业的最大特点就是:间歇、短时、周期循环。一个工作循环位括:取物,起Tl?并运行到卸货点,下降,卸料,然后空车到下一取物处。一个工作循环的持续时间一般只有几十秒到几分钟,最长也不过几十分钟,且各机构在每一工作循环中常常间歇动作。因此,作业过程中,起重机各工作机构经常处于起动、稳定运行、制动,f/载、无载状态中;此外,桥式类型起重机和一些靠小车运动实现变幅的旋转类型起屯机的小车在结构上的位置还在经常变化中。每一台电动起重机的机构结构系统及驱动电机中都包含有一定的储能元件,.?因Jl:特有的工作性质以及工作环境所造成的载荷或激励出现的时候,起?机的机屯系统势必会产生一系列的动态过渡过程,机构零件和结构构件也将经常承受一系列因弹性振动和(或)非稳态的机构运动所造成的动态载荷。特别地,对于高速、频繁运行的起卒机来讲,起重机机构零件和结构构件的受载状况更为恶劣。此外,因吊载系于柔性系统的动滑轮组一端,工作过程中,负载也会上下振动及在空间摇摆。
  起重机动力学是起重机设计最重要的基础研究,换句话说,在各种可能出现的工作和非工作状态下,起重机机构和结构系统各个环节及负载的动态响应历程是产品设计过程中必须明确的根本问题。起重机的寿命和可靠性设计需要确定其正常工作状态下机构零件和结构构件所受的内力载荷和应力历程;机械零件和结构构件的强度和刚度设计则要确定其工作、非工作和事故状态下的尖峰载荷和最大变形;起重机动力稳定性设计则要求起重机在工作过程中不会发生整体或局部的失稳现象。负载的抗摇摆控制、路径追踪和定位要确定正常工作过程中负载的运动。起重机动力学研究中,常将钢丝绳、吊具和负载抽象为悬于一个支点上的空间摆模型,并因它的存在呈现出异常复杂的非线性特征,在一定条件下会出现诸如分盆、多吸引子、主共振、次共振、内共振、参数共振、混纯运动、跳跃、正交于激励所在平面的振动被激发等现象。
  最简单的起重机动力学模型就是一个负载摆模型。Ghigliazza和Holmes_用一个具有线性加速运动和勻速圆周运动悬挂点上的单摆模型研究了塔式起重机负载的动力行为。Cveticaninl用Melnikov法和一个变质量变摆长的单摆为模型研究了(散料)物料卸载过程中的起升负载的运动。Chin等人用一个承受基础激励的、刚性的空间负载单摆模型,通过数值模拟,研究了臂架起重机在主共振、1:1内共振或参数共振同时出现情况下负载的稳态运动、动态运动;运动的不稳定性、极限环以及极限环的稳定性问题,査明会出现以下现象:一系列的倍周期分盆后最后会到达混纯状态、多吸引子、I型间歇和鞍节点分盆。
  海上工作的浮式起重机在海波激励下的负载的受迫摆动是一个非常重要的动力学问题。Chin等人用一个空间弹性负载摆模型研究了浮式起重机在特定海波激励下的负载运动的不稳定性,通过多尺度法导出的关于摆的共振幅值和响应的非线性常微分方程组,发现当负载被提升且参数激励为二倍负载摆的固有频率时,负载的摆动会出现突然的跳动,但当钢绳长度发生与激励的频率相同的谐波变化时,却可`以抑制负载运动的这种动力不稳定性。Witz具有六个自由度的刚体(船)与通过钢丝绳联系的具有三个自由度的刚体(负载)的模型研究了浮式起重机的参数激励问题。发现负载对船体的横摇运动影响不大,并且船体和负载运动之间的糊合对船体的运动的影响可以被忽略。系统的运动方程被简化为Mathieu方程,其中,海洋状态下浮式起重机臂架和负载之间的相对运动引起的变化的钢绳拉力构成系统的参数激励,因此而引起的悬挂负载不稳定运动会影响起重机的可操作极限。Cha等人做了基于多体动力学的、悬挂重物的浮式起重机的动力响应模拟,以非线性的静水压力、线性的动水压力、钢丝绳力和系泊力作为外力,建立了由6个自由度的浮式起重机和6个自由度的重物组成的动力系统的运动方程。此运动方程可以用来计算浮式起重机和吊重的运动、钢丝绳拉力、估计波激共振频率以及预测起重机安全操作状态下的极限海波载荷。移动质量作用下的起重机结构的动力学研究是桥、门式类型以及旋转臂架类型起重机动力学研究的一个特色性内容。Gaie等人提出了在小车和负载的惯性效应可以忽略的情况下将吊运负载的小车视为一个在主梁上以一个的给定速度(时间函数)移动的集中力,用标准的商业化有限元软件解决吊运负载小车在主梁上移动过程中桥式起重机主梁所受动力问题的办法。
  Oguanianam用一个由一个简支欧拉梁、沿着欧拉梁运动(假定小车以一个指定的匀速运动速度从主梁的一端运行到另一端)的点质量小车和悬挂于小车上的刚性负载摆组成的桥式起重机模型研究了桥式起重机主梁横向振动和负载运动。发现负载的摆动与小车质量、负载质量、摆长以及小车速度都有关系,且在一定条件下还可能会诱发不稳定的负载摆动现象;主梁变形与小车质量(包括负载质量)和小车速度有关;小车和负载的质量一定时,在移动质量处的主梁变形以及变形最大的主梁截面位置与小车的运行速度有关。Wu等人提出了结合有限元法和分析法建立小车移动过程中门式起重机结构动力计算模型的方法,通过引入等效的移动质量矩阵来计算移动小车与主梁振动交互作用下的结构动力问题,该方法将移动巾的小车视为在门架主梁上以给定速度规律移动的多个点质量但却没有考虑负载的摆动效应。Wu 还做了同时考虑小车移动和负载摆动效应的门架结构的动力分析,并发现结构沿起重机运行方向的振动非常敏感于负载的摆角。Zmie等人究了岸边集装箱起重机移动小车作用下的小车和前主梁的稱合动力学计算。Younesian等人针对起重机运行机构、小车运行机构和起介机构同时工作情况下,计算了负载摆空间大幅摆动时,门架一小车一负载摆的稱合非线性振动。分析时,门架结构用有限元离散,不考虑钢丝绳的柔性,小车和负载分别被简化为一个集巾质量,门架被视为承受小车车轮对其作用移动载荷的结构;各机构运动速度(即门架的刚体运动速度、小车的运动速度和钢丝绳长度变化速度)为指定的时间函数。
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