李 強(qiáng)，王 進(jìn)，張家慶，田春偉，鮑會(huì)麗LI Qiang, WANG Jin, ZHANG Jia-qing, TIAN Chun-wei, BAO Hui-li（.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 70064；.中國建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

產(chǎn)品·技術(shù) Product.Technology

QTK16型快架塔塔身連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

李 強(qiáng)1，王 進(jìn)1，張家慶1，田春偉1，鮑會(huì)麗2
LI Qiang, WANG Jin, ZHANG Jia-qing, TIAN Chun-wei, BAO Hui-li
（1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.中國建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

[摘 要]基于桿組法對(duì)QTK16型快架塔塔身連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，首先對(duì)塔身連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將機(jī)構(gòu)分解成原動(dòng)件組和基本桿組，然后提出了對(duì)快架塔塔身連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的流程。運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)塔身折疊運(yùn)動(dòng)過程作運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，結(jié)果表明塔身主要結(jié)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)起始和結(jié)束階段速度波動(dòng)較大，其余階段速度運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。塔身研究結(jié)論對(duì)同類型快架塔機(jī)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]快架塔；塔身；連桿機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析；桿組法

快速架設(shè)塔式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱快架塔）是近年來國內(nèi)興起的一種新型起重設(shè)備，因其具有轉(zhuǎn)場(chǎng)方便、架設(shè)迅速、整機(jī)折疊后體積小等優(yōu)點(diǎn)收到各方廣泛關(guān)注。快架塔利用自身機(jī)構(gòu)對(duì)臂架和塔身進(jìn)行折疊，折疊后整機(jī)尺寸變得特別小，適合于各個(gè)工地上來回調(diào)度使用。快架塔的塔身連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，依靠布置在塔身上的液壓連桿機(jī)構(gòu)就可完成自身折疊。塔身連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程復(fù)雜，因此對(duì)塔身連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析很有必要。本文基于桿組法對(duì)QTK16型快架塔塔身連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，分析結(jié)果對(duì)同類型的快架塔機(jī)設(shè)計(jì)具有一定理論意義。

1 塔身連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

1.1 塔身連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖1是QTK16型快架塔架設(shè)完成時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，塔身連桿機(jī)構(gòu)由下塔身、油缸、推桿1、推桿2、外塔身、塔身連桿、機(jī)架等8個(gè)構(gòu)件構(gòu)成 。從圖上可以看出塔身連桿機(jī)構(gòu)是包含液壓油缸的復(fù)雜平面連桿機(jī)構(gòu)。由平面自由度計(jì)算公式可得機(jī)構(gòu)自由度為一個(gè)，即液壓缸筒和活塞桿間的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。隨著油缸的收縮，帶動(dòng)推桿1，推桿2運(yùn)動(dòng)。接著下塔身繞鉸點(diǎn)A順時(shí)針做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)外塔身繞鉸點(diǎn)E相對(duì)下塔身作逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)，最后整個(gè)塔身折疊，并水平地放置在機(jī)架上。塔身折疊過程的狀態(tài)如圖2，塔身最后完全折疊的狀態(tài)如圖3所示。

圖1 塔身機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(立塔狀態(tài))

圖2 塔身折疊過程狀態(tài)圖

圖3 塔身完全折疊狀態(tài)

1.2 塔身連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

按照阿蘇爾桿組理論，機(jī)構(gòu)可以分為機(jī)架、原動(dòng)件、桿組等三部分，其中原動(dòng)件的自由度數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度，桿組自由度為零，桿組依次疊加到原動(dòng)件上。由于液壓連桿機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件活塞桿3不與機(jī)架相連，因此不能用阿蘇爾桿組理論直接對(duì)液壓連桿機(jī)構(gòu)劃分。文獻(xiàn)1利用理論力學(xué)的辦法將液壓氣動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有可變長(zhǎng)度桿的桿組，以簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)分析，但桿件具有可變長(zhǎng)度，同樣不能調(diào)用現(xiàn)有桿組子程序。文獻(xiàn)2認(rèn)為液壓連桿機(jī)構(gòu)具有機(jī)構(gòu)的一個(gè)自由度，是機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件，并其定義為原動(dòng)桿組，在作用分析時(shí)缸體和活塞桿之間的運(yùn)動(dòng)按移動(dòng)副處理。這里的液壓油缸運(yùn)動(dòng)可以調(diào)用RPRⅡ即桿組子程序，使用方便。因此，本文按照文獻(xiàn)2的方法將液壓連桿機(jī)構(gòu)分為原動(dòng)件組，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆分。將機(jī)構(gòu)拆分為原動(dòng)件組2-3-4，Ⅱ級(jí)桿組4-5，Ⅱ級(jí)桿組6-7，機(jī)架8與單桿1,因此，該塔身平面連桿機(jī)構(gòu)為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)。

2 塔身連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

2.1 塔身連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析流程

連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析是指在已知原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律前提下，求解其他活動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括角位移、角速度、角加速度等，同時(shí)求解構(gòu)件上某點(diǎn)的位置、速度、加速度。連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析為動(dòng)力學(xué)分析及機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供前期理論支撐。由快架塔塔身塔身折疊狀態(tài)圖2可以看出，原動(dòng)件組是連接于桿1上的，而桿1繞鉸點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)。即原動(dòng)件組上點(diǎn)D的運(yùn)動(dòng)是建立在桿1的牽連運(yùn)動(dòng)和缸筒和活塞桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上的。因此，在建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型時(shí)先假設(shè)原動(dòng)件組外副B、C上具有確定的運(yùn)動(dòng)。依次為基礎(chǔ)導(dǎo)出鉸點(diǎn)D和構(gòu)件4的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。從而建立桿1輸入?yún)?shù)和油缸之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)間的關(guān)系。該過程的運(yùn)動(dòng)分析流程如圖4所示。

圖4 連桿運(yùn)動(dòng)分析流程一

在導(dǎo)出桿1與桿5、D點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)參數(shù)關(guān)系后，就可以用常規(guī)的桿組法求解塔身連桿機(jī)構(gòu)了。該過程的分析流程如圖5所示。

圖5 連桿運(yùn)動(dòng)分析流程二

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析

利用ADAMS軟件對(duì)QTK16型快架塔塔身折疊過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。從外塔身的仿真結(jié)果可看出在折疊運(yùn)動(dòng)的起始和結(jié)束運(yùn)動(dòng)階段，加速度較大。其中在運(yùn)動(dòng)結(jié)束處加速度值達(dá)6.56mm/s2。在其它時(shí)段運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度較大，基本保持在80mm/s左右。從下塔身的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果看,下塔身運(yùn)動(dòng)過程速度較小，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)的起始和結(jié)束處存在一定加速度，其中結(jié)束階段加速度為3mm/s2，其余時(shí)段下塔身速度保持在30mm/s左右水平。通過仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，在塔身折疊運(yùn)動(dòng)過程，塔身主要結(jié)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)起始和結(jié)束階段速度波動(dòng)較大，其余階段速度運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此可以通過延長(zhǎng)塔身油缸啟動(dòng)和停止時(shí)間已達(dá)到減少運(yùn)動(dòng)沖擊的目的。

3 結(jié) 論

本文基于桿組法對(duì)快架塔塔身連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，利用桿組理論對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了拆分，認(rèn)為此類復(fù)雜液壓連桿機(jī)構(gòu)可以分為原動(dòng)件組和基本桿組。接著，對(duì)相應(yīng)桿組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。針對(duì)快架塔塔身油缸機(jī)構(gòu)并不與機(jī)架相連而是連接于搖桿1上的特殊情況，提出了先假設(shè)搖桿1運(yùn)動(dòng)情況已知情況下，推導(dǎo)出油缸相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和桿1運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間關(guān)系，從而使得此類復(fù)雜液壓連桿機(jī)構(gòu)可以用成熟的桿組解法完成運(yùn)動(dòng)分析。在此基礎(chǔ)上提出了運(yùn)動(dòng)分析流程,研究的結(jié)論為快架塔連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孫 恒，陳作模，葛文杰．機(jī)械原理[M]．北京：高等教育出版社，2005．

[2] 曹惟慶．連桿機(jī)構(gòu)的分析與綜合[M]．北京：科學(xué)出版社，2002．

[3] 詹鵬舉．液壓氣動(dòng)復(fù)雜連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析與運(yùn)動(dòng)分析[J]．昆明工學(xué)院學(xué)報(bào)，1988，13（1）：56-63．

[4] 師忠秀，綦明正，程 強(qiáng)．平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及仿真[J]．青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，18（4）：22-26．

（編輯 賈澤輝）

［基金項(xiàng)目］“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAJ02B04)

［中圖分類號(hào)］TH213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)05-0035-03

［收稿日期］2015-01-20

Analysis of QTK16 fast frame tower crane body connecting rod mechanism motion