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集裝箱起重機(jī)液壓油缸式減搖系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析
時(shí)間：2022-03-02來(lái)源：起重機(jī)廠家瀏覽次數(shù)：196
中國(guó)鐵道科學(xué)集裝箱起重機(jī)液壓油缸式減搖系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析程文明，鐘斌，張則強(qiáng)，王金諾（西南交通大學(xué)機(jī)械工程研究所，四川成都610031）缸式減搖系統(tǒng)由減搖卷筒、減搖鋼絲繩、液壓油缸、液壓泵站和滑輪組等組成，通過(guò)2個(gè)不同壓力的液壓回路進(jìn)行控制，從而吸收吊重?cái)[動(dòng)的能量。對(duì)液壓油缸式減搖系統(tǒng)在工程實(shí)用范圍內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取小車的水平位移和集裝箱在豎直平面內(nèi)的擺角為廣義坐標(biāo)，利用拉格朗日方程建立減搖系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。在集裝箱吊重?cái)[角較小時(shí)對(duì)該方程進(jìn)行線性化處理；在起重機(jī)小車制動(dòng)時(shí)得出吊重的擺角方程，分析吊重的減搖效果。研究表明：影響吊重減搖效果的因素有減搖繩的斜拉角度大小、起升繩的有效長(zhǎng)度、吊重的有效質(zhì)量和液壓減搖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)等。仿真結(jié)果表明：液壓減搖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擺幅衰減所需的時(shí)間影響較大，是影響減搖效果的主要因素和關(guān)鍵參數(shù)。
軌行式集裝箱門(mén)式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱集裝箱起重機(jī)）是鐵路貨場(chǎng)裝卸集裝箱的主要機(jī)型，其減搖系統(tǒng)能使集裝箱吊具的擺動(dòng)迅速衰減，并在較短時(shí)間內(nèi)使吊具相對(duì)于小車處于靜止?fàn)顟B(tài)，以利于吊具的準(zhǔn)確對(duì)位和集裝箱的快速碼放，提高裝卸的作業(yè)效率和安全性。對(duì)起重機(jī)吊重的動(dòng)力學(xué)行為研究一般在小車吊重結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)中進(jìn)行116，所以本文選取小車集裝箱系統(tǒng)為研究對(duì)象。在眾多的減搖型式171中，液壓油缸式減搖系統(tǒng)181具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、減搖效果良好等特點(diǎn)，是目前集裝箱起重機(jī)中應(yīng)用較多的型式。其液壓油缸的選擇和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是影響減搖效果的主要因素，選擇的液壓油缸太小，會(huì)使減搖效果不好，而太大又會(huì)阻礙吊具空載下降。本文對(duì)液壓油缸式減搖系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出影響集裝箱（簡(jiǎn)稱吊重）減搖效果的因素，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
組與吊具上的定滑輪組交叉連接，減搖卷筒通過(guò)鏈傳動(dòng)裝置跟隨起升卷筒同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)由于大車或小車起動(dòng)或制動(dòng)引起吊具擺動(dòng)時(shí)，由于減搖繩的交叉連接方式和液壓系統(tǒng)的作用，使擺動(dòng)衰減。當(dāng)?shù)蹙叩某跏紨[動(dòng)向右時(shí)，繩a和繩b拉力增大（張緊1液壓油缸式減搖系統(tǒng)液壓油缸式減搖系統(tǒng)構(gòu)造示意圖如所示，它由減搖卷筒、減搖鋼絲繩、液壓油缸、液壓泵站和滑輪組等組成。減搖鋼絲繩通過(guò)小車上的定滑輪基金項(xiàng)目：四川省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2006Z08037）西南交通大學(xué)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目（2006A03）系統(tǒng)的拉格朗日方程為2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析bookmark2大車或小車運(yùn)行對(duì)吊重?fù)u擺的影響效果是相同的19111，這里只考慮小車吊重運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)，將液壓油缸式減搖系統(tǒng)的模型做如下簡(jiǎn)化處理。
（1）吊重在無(wú)減搖系統(tǒng)、且不考慮其他阻力時(shí)相似于自由懸掛的單擺。
（2）系統(tǒng)分析時(shí)只考慮吊重的橫向擺動(dòng)，且擺為系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能，F(xiàn)x，為自由度xi產(chǎn)生的力，kN；F9為自由度9產(chǎn)生的九kN；D為因摩擦而消耗的力，kN.由式（i）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能為（3）減搖鋼絲繩對(duì)吊重的水平分力大小近似與T―小車速度大小成正比，方向與小車速度方向相反。m2/（/92 2xi9cos9）（3；側(cè)），繩c和繩d為松弛側(cè)，液壓缸A和B的活塞桿向有桿腔側(cè)伸出，油缸腔壓力升高；當(dāng)壓力達(dá)到溢流閥的調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥打開(kāi)，壓力油經(jīng)溢流閥回油箱；與此同時(shí)，與松弛側(cè)鋼絲繩連接的液壓缸C和D在液壓系統(tǒng)油壓的作用下，活塞桿向無(wú)桿腔側(cè)回縮，使c和d繩保持張緊狀態(tài)；經(jīng)過(guò)上述過(guò)程的擺動(dòng)，不斷有壓力油從溢流閥溢出，從而將吊具擺動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為液壓油緩沖的能量，達(dá)到減搖的目的。
為液壓油缸式減搖系統(tǒng)液壓原理圖。它有2個(gè)不同壓力的液壓回路控制：起升機(jī)構(gòu)升降時(shí)，低壓回路確保減搖鋼絲繩同步升降阻力小，但又能隨時(shí)張緊；大車和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，高壓回路確保減搖鋼絲繩有較大的張緊力，以產(chǎn)生良好的減搖效果。用，考慮到液壓油缸式減搖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及滯后期的影響，不計(jì)松弛側(cè)減搖鋼絲繩對(duì)吊重的作用力；考慮吊重起升繩偏擺角9相對(duì)于減搖繩的斜拉角度01和02較小，故可視減搖鋼絲繩對(duì)吊重的力方向恒定。
（4）減搖鋼絲繩重量忽略不計(jì)，繩長(zhǎng)不變。
減搖系統(tǒng)可近似簡(jiǎn)化為如所示，小車和吊重的質(zhì)量分別為mi和m2，建立圖中坐標(biāo)系，mi和m2的坐標(biāo)分別為i（xi，yi）和2（x2，2）。系統(tǒng)受到水平面的約束，同時(shí)考慮到吊重在小角度內(nèi)搖擺，所以具有2個(gè)自由度。選取xi和9為廣義坐當(dāng)（0，可得特解：擺幅和時(shí)間的關(guān)系分別為選取吊重在*低處為系統(tǒng)的零勢(shì)能位置，則系統(tǒng)的勢(shì)能為式（2），得系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為0，并稱k為液壓減搖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；9i，02為減搖繩斜拉角。
顯然，方程組（5）是非線性的，當(dāng)?shù)踔財(cái)[動(dòng)很小，則可近似認(rèn)為sinPI，cos93，且可忽略含P或XiP的高階微量，有‘G（即分析起重機(jī)小車在制動(dòng)時(shí)的減搖效果，即有Xi=0，F(xiàn)（=分別代入式（6）得解得式衰減。由式（8）可知，吊重有效質(zhì)量m2、起升繩有效長(zhǎng)度l和減搖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)k會(huì)影響擺角的衰減時(shí)間，當(dāng)m2和l一定時(shí)，合理取值k可得到期望的減搖效果。
其中3計(jì)算實(shí)例以某集裝箱起重機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，各參數(shù)分別取值如下。吊重m2=40000kg起升繩有效長(zhǎng)度l=3i3m，取l=8m，小車運(yùn)行丁速度Vtmlley=65m-min-i，小車制動(dòng)時(shí)間（b=6s，小車在無(wú)減搖機(jī)構(gòu)作用下的*大擺角09.8m-s-2，液壓減搖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)k分別?。?）分別有擺幅和時(shí)間的仿真結(jié)果如所示。從可見(jiàn)，就減搖液壓系統(tǒng)本身而言，參數(shù)k對(duì)擺幅衰減所需的時(shí)間影響較大。其中k=-40時(shí)，對(duì)集裝箱擺幅衰減的時(shí)間明顯較k=-20000kg-s-1和k=-60000kg-s-1時(shí)短，其減搖效果明顯優(yōu)于后兩者。
仿真結(jié)果4結(jié)論對(duì)液壓油缸式減搖系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究表明，影響減搖效果的因素主要有減搖繩的斜拉角度f(wàn)t和2，起升繩有效長(zhǎng)度/，吊重的有效質(zhì)量m2和液壓減搖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)k.尤其是液壓減搖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)k值的合理選取，是集裝箱起重機(jī)液壓減搖系統(tǒng)獲得良好減搖效果的關(guān)鍵。
同時(shí)，用簡(jiǎn)化模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行線性化，存在著一定的誤差，還需進(jìn)一步完善。對(duì)此，比較理想的是用動(dòng)態(tài)仿真方法來(lái)比較真實(shí)地模擬液壓減搖系統(tǒng)。
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集裝箱起重機(jī)液壓油缸式減搖系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析
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