泵车臂架回转系统动力学预测范文

1臂架回转系统刚柔耦合动力学建模

1.1臂架横向振动机理混凝土泵车臂架回转系统如图1所示，臂架为多铰接的柔性悬臂梁结构，回转时须通过液压马达经减速机减速后来驱动回转机构，当回转驱动停止后，柔性臂架会由于巨大惯性产生较大幅度的自由衰减振动，其振动形式属于欠阻尼振动，振动幅值逐渐衰减。臂架横向振动是一个复杂的多体动力学问题，它与臂架的固有特性、控制元件动态特性、臂架端部不完全刚性连接等因素有关，臂架的横向振动位移包括由臂架端部不完全刚性连接引起的扭摆位移和臂架本身的柔性产生的一阶横向振动位移。

1.2臂架回转系统刚柔耦合动力学建模臂架回转系统刚柔耦合动力学建模步骤和方法如图2所示。利用Pro/E、Hypermesh、Ansys和Adams的联模平台，首先在Ansys中生成各臂架无约束状态下的模态中性文件，臂架模态中性文件如图3所示;然后在Adams中建立包括回转齿轮啮合驱动的臂架回转系统刚柔耦合动力学模型如图4所示。图4为最终的臂架回转刚柔耦合动力学模型。各软件平台建模的主要难点和要点为:①在Pro/E中建立臂架回转系统的三维实体模型，并作适当简化;②在Hypermesh中利用shell63、beam188和mass21单元分别对臂架、输送管、管夹和末端软管进行有限元网格的划分;③在Ansys中对刚性区域进行MPC处理以及外连节点的建立;④在Adams中对模型施加约束和边界条件，去掉各臂架的刚性模态，用试验的方法确定油缸的刚度和阻尼，转台处用扭转弹簧阻尼系统模拟臂架系统根部不完全刚性约束，连杆作刚体等效处理。经过以上建模处理，能够使臂架回转刚柔耦合动力学模型到达与实际样机模型相同的效果。

2动力学仿真分析及试验验证

臂架水平姿态为混凝土泵车工作时最典型的工况，该姿态下的臂架振动表现最为强烈，且能和仿真模型保证姿态的一致性，便于比较和验证。所以下面选取水平姿态对臂架回转系统进行动力学仿真分析以及试验验证。

2.1动态特性分析与模型验证在Adams振动模块中对臂架回转系统进行模态分析，并且与试验结果进行对比，以验证臂架回转刚柔耦合动力学模型的准确性和有效性。

2.1.1模态分析计算后，得到臂架系统前三阶的模态结果如图5所示。从图5中可以看出，第一阶振型表现为横向一阶弯曲，固有频率为0.225Hz;第二阶振型表现为垂向一阶弯曲，固有频率为0.29Hz;第三阶振型表现为横向二阶弯曲，固有频率为0.66Hz。实际中影响臂架横向振动的模态主要是横向一阶模态。

2.1.2模型验证将臂架调为水平姿态，与仿真模型保持姿态一致，并进行动态特性测试。最后得到试验和仿真时臂架系统的动态特性对比如表1所示。由表1可知，仿真和试验的臂架固有频率误差在4%左右，从而验证了臂架回转系统刚柔耦合动力学模型的准确性和有效性。

2.2水平姿态下臂架末端横向振动响应及试验验证首先在试验中给回转机构施加回转激励，使臂架回转系统往一侧回转一段时间后突然停止，然后臂架做自由衰减的横向振动。在这个过程中，测出回转机构大齿轮的角度变化如图6所示。图6中，施加激励的时间为2.781s(从5.625s到8.406s)，大齿轮角度变化为3.12°(从－170.51°到－167.39°)，从而算得大齿轮在施加激励时的转速为1.12°/s，而小齿轮的转速为10.36°/s，所以在仿真模型的小齿轮上施加一个转速驱动STEP(time，2.7s，10.36d，2.781s，0d)来模拟臂架回转系统从启动到停止的过程，且保证了仿真和试验激励的一致性。通过动力学仿真计算和试验测试得到水平姿态下臂架末端横向振动位移及对比如图7所示。由图7可知，臂架末端横向振动位移的最大幅值为1300mm，振动衰减时间为50s;经过时域信号的频谱分析得到仿真和试验时臂架末端横向振动固有频率分别为0.2246Hz和0.215Hz，阻尼比分别为0.0267和0.031，误差为13%;臂架末端横向振动位移仿真和试验曲线基本重合，进一步验证了臂架回转系统刚柔耦合动力学模型和仿真结果的有效性。

3典型姿态下臂架回转系统动力学预测分析

泵车臂架的姿态有无穷多个，但是对于常规的泵送混凝土的实际工况来说，只有几种常用的典型工作姿态。在工地中比较常用的姿态有水平、弓形、M型、L型和圆型。其他姿态只是在这几种姿态的基础上衍生出来的。水平姿态适用于较远距离水平泵送，M型和弓形适用于中距离的混凝土泵送，圆型适用于近距离混凝土泵送，L型姿态常用于高楼泵送。前面已对水平姿态下的臂架回转系统进行了动力学分析和试验验证，很好地验证了仿真模型的准确性。所以该模型以及建模方法能适用于其他臂架姿态的动力学分析及预测，下面对弓形和L形臂架姿态进行回转动力学预测分析。将臂架分别调为弓形姿态和L形姿态。弓形姿态下一臂至五臂相对于地面的角度分别为65°、52°、30°、－10°和45°;L形姿态下一臂至五臂相对于地面的角度分别为86°、83°、83°、70°和－14°。施加与水平姿态时相同的回转激励，通过动力学仿真计算得到弓形姿态和L形姿态下臂架末端横向振动位移分别如图8和图9所示。由图8和图9可知，回转停止后，弓形姿态下臂架末端横向振动位移的最大幅值为980mm，振动衰减时间为55s;L形姿态下臂架末端横向振动位移的最大幅值为244mm，振动衰减时间为62s。经过时域信号的频谱分析得到弓形姿态下臂架横向自由衰减振动的固有频率为0.2539Hz，阻尼比为0.02;L形姿态下臂架横向自由衰减振动的固有频率为0.3027Hz，阻比为0.01。

4结论

通过对混凝土泵车臂架回转系统进行动力学建模和分析，能够很好地预测各典型姿态下臂架的回转动态响应，具体结论如下:1)基于Pro/E、Hypermesh、Ansys和Adams的联合建模平台，建立臂架回转系统刚柔耦合动力学模型。将仿真模型计算结果与试验样机测试结果进行对比发现，固有频率误差为4%左右，阻尼比误差为13%，臂架末端横向振动位移曲线基本吻合，很好地验证臂架回转系统刚柔耦合动力学模型和仿真结果的准确性及有效性;该模型和建模方法可以用于其他姿态下臂架回转动力学预测。2)动力学预测分析结果表明，臂架在水平、弓形和L形姿态下的末端横向振动位移的最大幅值分别为1300mm、980mm和244mm;振动衰减时间分别为50s、55s和62s;横向振动阻尼比分别为0.0267、0.02和0.01;横向振动固有频率分别为0.2246Hz、0.2539Hz和0.3027Hz。水平姿态和弓形姿态下的臂架横向振动较大，对施工安全、定位精度和臂架疲劳寿命产生较大影响，在今后的研究中应重点考虑这类姿态下臂架的减振。3)通过动力学分析和预测，为混凝土泵车臂架横向减振提供理论指导，可以基于臂架回转系统刚柔耦合动力学模型，施加一定的减振控制策略，以减少臂架的横向振动。

作者：黄毅郭岗邝昊张彬单位：湖南大学机械与运载工程学院股份有限公司全球研发中心