论文部分内容阅读
摘要：塔式起重机的回转机构的频繁启、制动将引起塔式起重机塔身结构的扭转振动，进而降低塔式起重机的寿命。为了准确地模拟塔式起重机塔身在回转工况下的扭转振动，本文根据塔式起重机的结构特点，将其简化为具有端部质量的悬臂梁，建立了在回转工况下塔式起重机塔身的扭转振动动力学模型，最后基于MATLAB对回转工况下的塔式起重机进行了仿真，获得塔身的扭转振动响应曲线。
关键词：塔式起重机;塔身;扭转振动;MATLAB;
0引言
塔式起重机主要由起升机构、变幅机构、回转机构和金属结构组成，被广泛应用于建筑领域。在回转工况下，塔式起重机的回转机构的频繁启、制动不仅会导致塔式起重机塔身的产生扭转振动也会引起货物的摆动，这种振动和摆动将导致塔式起重机的结构产生交变应力，而这种交变应力正是塔式起重机结构产生疲劳破坏的主要原因。
根据近些年塔式起重机安全事故统计调查，使用过程中的塔式起重機发生倾覆事故占比最高，为总事故率的70%，这意味着塔身作为塔式起重机结构的重要组成部分，更容易发生破坏[1]。因此，研究回转运动过程中塔式起重机塔身的扭转振动具有重要意义。
随着计算机技术的不断提高，国内外的学者对塔式起重机的研究不再局限于强度和刚度，而更多地转向于塔式起重机的结构振动方面。朱冰等[2]利用ANSYS软件建立了QTZ630塔式起重机有限元模型，对起升工况进行了仿真，并分析了塔起升及卸载导致的冲击对塔式起重机结构振动的影响。Yang W等[3]以塔式起重机作为研究对象，推导了起重机-小车-货物系统的非线性动力学方程。除了以上学者，还有许多学者通过不同的方法对塔式起重机的结构振动进行了研究，但其中对回转工况下塔式起重机塔身的扭转振动的研究较少。
本研究根据QTZ5513平头塔式起重机的结构特点，将其简化为具有端部质量的悬臂梁，建立了在回转工况下塔式起重机塔身的扭转振动动力学模型，最后基于MATLAB对回转工况下的塔式起重机进行了仿真，获得塔身的扭转振动响应曲线。
1回转工况下塔身的扭转振动动力学模型
为了便于对回转工况系下的塔身的扭转振动进行研究，在忽略一切由摩擦引起的阻力的影响的情况下，将塔式起重机的结构进行简化。
根据塔式起重机的结构特点，在单独对塔身进行扭转振动研究时，可以假设起重臂，平衡臂和平衡重，即塔式起重机的回转部分，是刚性体，将塔身等效为具有端部质量的Euler-Bernoulli悬臂梁模型，将回转部分等效为端部质量，将货物和变幅小车看作是移动质量，进而将货物-变幅小车-回转部分-塔身耦合动力学系统简化为移动质量-端部质量-悬臂梁耦合动力学系统，该系统示意图如图1和图2所示。图1为简化结构的正视图，图2为简化结构的俯视图。
如图2建立绝对坐标系，轴沿着塔式起重机未进行回转运动的初始状态下的起重臂中心线，轴与塔式起重机未进行回转运动的初始状态下的起重臂中心线和塔身的中心线均垂直。此外，表示变幅小车沿起重臂方向距塔身中心线的距离，表示平衡臂的长度，表示平衡臂的长度，表示回转运动的回转角度，表示变幅小车和货物的总质量，表示塔身扭转振动的角位移。
根据结构动力学，回转工况下塔身的扭转振动微分方程表示为
在分析塔身的扭转振动特性时，选择塔身的端部的角位移位移作为观测量。
本文基于模态叠加法通过MATLAB软件对塔身的扭转振动响应进行求解。为了保证求解精度以及求解效率，本文取前三阶模态塔身端部进行振动分析。
2塔式起重机的回转工况仿真
将的货物在工作半径处起升进行回转，回转加速度和减速度均为，加、减速时间均为5s，回转运动加速5s后，进入匀速转动，匀速转动时间为15s，得到塔身端部扭转振动的角位移曲线如图3所示。
如图3所示，在0-5s的时间区间内，塔式起重机处于加速回转状态，塔身端部的最大扭转振动幅值为;在5-15s的时间区间内，塔式起重机处于匀速回转状态，塔身端部的最大扭转振动幅值为;在的时间区间内，塔式起重机处于减速回转状态，塔身端部的最大扭转振动幅值为。
3结论
本文以QTZ5513平头塔式起重机作为研究对象，将其简化为具有端部质量的悬臂梁，进而详述了回转工况下塔身的扭转振动动力学模型的建立过程，并进行了回转工况仿真，获得回转工况下塔身端部的扭转振动角位移曲线。仿真结果表明，该曲线能准确反映回转工况下塔身端部的扭转振动的规律。
参考文献
[1]王云飞. 2017年建筑起重机械事故分析与思考[J].建筑机械化，2018，39（06）：19-23.
[2]朱冰，谷立臣，姬鹏斌.QTZ630塔式起重机的有限元动力学分析[J].建筑机械，2011（15）：103-106+109+19.
[3]Wenqing Yang， Zhiyi Zhang， Rongying Shen.Modeling of system dynamics of a slewing flexible beam with moving payload pendulum[J]. Mechanics Research Communications，2006， 34（3）：260-266
山东建筑大学 250100
关键词：塔式起重机;塔身;扭转振动;MATLAB;
0引言
塔式起重机主要由起升机构、变幅机构、回转机构和金属结构组成，被广泛应用于建筑领域。在回转工况下，塔式起重机的回转机构的频繁启、制动不仅会导致塔式起重机塔身的产生扭转振动也会引起货物的摆动，这种振动和摆动将导致塔式起重机的结构产生交变应力，而这种交变应力正是塔式起重机结构产生疲劳破坏的主要原因。
根据近些年塔式起重机安全事故统计调查，使用过程中的塔式起重機发生倾覆事故占比最高，为总事故率的70%，这意味着塔身作为塔式起重机结构的重要组成部分，更容易发生破坏[1]。因此，研究回转运动过程中塔式起重机塔身的扭转振动具有重要意义。
随着计算机技术的不断提高，国内外的学者对塔式起重机的研究不再局限于强度和刚度，而更多地转向于塔式起重机的结构振动方面。朱冰等[2]利用ANSYS软件建立了QTZ630塔式起重机有限元模型，对起升工况进行了仿真，并分析了塔起升及卸载导致的冲击对塔式起重机结构振动的影响。Yang W等[3]以塔式起重机作为研究对象，推导了起重机-小车-货物系统的非线性动力学方程。除了以上学者，还有许多学者通过不同的方法对塔式起重机的结构振动进行了研究，但其中对回转工况下塔式起重机塔身的扭转振动的研究较少。
本研究根据QTZ5513平头塔式起重机的结构特点，将其简化为具有端部质量的悬臂梁，建立了在回转工况下塔式起重机塔身的扭转振动动力学模型，最后基于MATLAB对回转工况下的塔式起重机进行了仿真，获得塔身的扭转振动响应曲线。
1回转工况下塔身的扭转振动动力学模型
为了便于对回转工况系下的塔身的扭转振动进行研究，在忽略一切由摩擦引起的阻力的影响的情况下，将塔式起重机的结构进行简化。
根据塔式起重机的结构特点，在单独对塔身进行扭转振动研究时，可以假设起重臂，平衡臂和平衡重，即塔式起重机的回转部分，是刚性体，将塔身等效为具有端部质量的Euler-Bernoulli悬臂梁模型，将回转部分等效为端部质量，将货物和变幅小车看作是移动质量，进而将货物-变幅小车-回转部分-塔身耦合动力学系统简化为移动质量-端部质量-悬臂梁耦合动力学系统，该系统示意图如图1和图2所示。图1为简化结构的正视图，图2为简化结构的俯视图。
如图2建立绝对坐标系，轴沿着塔式起重机未进行回转运动的初始状态下的起重臂中心线，轴与塔式起重机未进行回转运动的初始状态下的起重臂中心线和塔身的中心线均垂直。此外，表示变幅小车沿起重臂方向距塔身中心线的距离，表示平衡臂的长度，表示平衡臂的长度，表示回转运动的回转角度，表示变幅小车和货物的总质量，表示塔身扭转振动的角位移。
根据结构动力学，回转工况下塔身的扭转振动微分方程表示为
在分析塔身的扭转振动特性时，选择塔身的端部的角位移位移作为观测量。
本文基于模态叠加法通过MATLAB软件对塔身的扭转振动响应进行求解。为了保证求解精度以及求解效率，本文取前三阶模态塔身端部进行振动分析。
2塔式起重机的回转工况仿真
将的货物在工作半径处起升进行回转，回转加速度和减速度均为，加、减速时间均为5s，回转运动加速5s后，进入匀速转动，匀速转动时间为15s，得到塔身端部扭转振动的角位移曲线如图3所示。
如图3所示，在0-5s的时间区间内，塔式起重机处于加速回转状态，塔身端部的最大扭转振动幅值为;在5-15s的时间区间内，塔式起重机处于匀速回转状态，塔身端部的最大扭转振动幅值为;在的时间区间内，塔式起重机处于减速回转状态，塔身端部的最大扭转振动幅值为。
3结论
本文以QTZ5513平头塔式起重机作为研究对象，将其简化为具有端部质量的悬臂梁，进而详述了回转工况下塔身的扭转振动动力学模型的建立过程，并进行了回转工况仿真，获得回转工况下塔身端部的扭转振动角位移曲线。仿真结果表明，该曲线能准确反映回转工况下塔身端部的扭转振动的规律。
参考文献
[1]王云飞. 2017年建筑起重机械事故分析与思考[J].建筑机械化，2018，39（06）：19-23.
[2]朱冰，谷立臣，姬鹏斌.QTZ630塔式起重机的有限元动力学分析[J].建筑机械，2011（15）：103-106+109+19.
[3]Wenqing Yang， Zhiyi Zhang， Rongying Shen.Modeling of system dynamics of a slewing flexible beam with moving payload pendulum[J]. Mechanics Research Communications，2006， 34（3）：260-266
山东建筑大学 250100