李麗敏，劉 沖LI Li-min, LIU Chong（北京南車時(shí)代機(jī)車車輛機(jī)械有限公司，北京 102249）

CHUY320型強(qiáng)夯機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算

李麗敏，劉 沖
LI Li-min, LIU Chong
（北京南車時(shí)代機(jī)車車輛機(jī)械有限公司，北京 102249）

[摘 要]CHUY320型強(qiáng)夯機(jī)在實(shí)際運(yùn)用過程中，臂架起臂工況和重錘突然釋放工況的載荷條件比較復(fù)雜，給強(qiáng)度校核與疲勞評(píng)估帶來困難；為了確定其載荷條件、彈簧選擇是否滿足要求、各部件之間的相互作用力等，特建立動(dòng)力學(xué)模型，通過數(shù)值仿真計(jì)算獲得動(dòng)態(tài)載荷及各部件之間相互作用力，彈簧的壓縮量及受力等，為彈簧的選型，整機(jī)的疲勞壽命分析提供載荷譜及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]強(qiáng)夯機(jī)；動(dòng)力學(xué)計(jì)算；臂架起臂工況；重錘釋放工況

1 概 述

強(qiáng)夯法就是利用起重設(shè)備將重錘提升到一定的高度，然后使重錘自由下落，以巨大的沖擊能量作用在地基上，使地基壓變以達(dá)到加固地基的一種地基處理技術(shù)。這種方法的顯著特點(diǎn)是夯擊能量大，因此影響深度大，同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單、效果顯著、設(shè)備簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉、質(zhì)量控制容易、適用土層范圍廣、施工周期短等突出優(yōu)點(diǎn)[1]。

CHUY320型強(qiáng)夯機(jī)有兩種典型的工作工況，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

1）帶龍門架起臂工況：這個(gè)工況時(shí)，龍門架與臂架平放在地面上，二者用銷軸相連，通過變幅卷揚(yáng)收縮鋼絲繩的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)起臂。這一過程中，由于繃?yán)K需要克服龍門架與臂架的重力和其保持靜止的慣性力，在龍門架和臂架起臂瞬間，臂頭上所受拉力較大而且呈非線性變化，傳統(tǒng)力學(xué)方法較難獲取該載荷歷程。

2）落錘工況：強(qiáng)夯機(jī)施工時(shí)，強(qiáng)夯機(jī)的每一工作循環(huán)均發(fā)生突然卸載工況，在突然卸載瞬間，由于變幅系統(tǒng)和整機(jī)的彈性作用，臂架系統(tǒng)反彈振蕩，極易發(fā)生臂架后翻與折斷，甚至發(fā)生翻車的事故[2]。

由于目前針對(duì)的強(qiáng)夯機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算尚無響應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，依然依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)方法來確定。用虛擬樣機(jī)技術(shù)，采用多體動(dòng)力學(xué)仿真的方法是解決這一問題的良好手段。

2 起架工況建模及數(shù)值仿真分析

臂架起臂的過程是變幅卷揚(yáng)通過對(duì)變幅鋼絲繩的收縮實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過程中，隨著臂架與地面夾角的變化，臂架所受的拉力也呈非線性變化。通過動(dòng)力學(xué)仿真獲取這一過程中的載荷變化歷程，作為有限元的輸入條件，獲取這一過程中臂架的強(qiáng)度狀況。

2.1 起架工況動(dòng)力學(xué)建模

起架動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖1所示，初始狀態(tài)為臂架與地面保持水平，龍門架與臂架通過鼻頭處的銷軸連接，另一端與地面接觸；龍門架的質(zhì)量為12.727t。臂架和龍門架靠繃?yán)K拉起，由于涉及到繃?yán)K與滑輪的纏繞過程，該過程很難在仿真模型中實(shí)現(xiàn)，因此采用簡(jiǎn)化的模型，利用相對(duì)驅(qū)動(dòng)來代替繃?yán)K的提拉作用。

圖1 起架工況動(dòng)力學(xué)仿真模型

由于臂架的啟停加速度數(shù)據(jù)難以獲得，只有中間勻速部分的參數(shù)可以獲得。因此本次計(jì)算根據(jù)驅(qū)動(dòng)速度

V=Vs/n

其中，Vs為變幅卷揚(yáng)鋼絲繩線速度；n為變幅卷揚(yáng)鋼絲繩倍率。

代入數(shù)據(jù)可得V＝80.8÷12＝6.73m/min＝112.22mm/s。啟停加速過程設(shè)置為1s，則啟停加速度為112.22mm/s2。驅(qū)動(dòng)速度定義曲線如圖2所示。

圖2 起架工況位移驅(qū)動(dòng)速度變化曲線

2.2 起架工況動(dòng)力學(xué)分析

仿真總時(shí)間為70s，前2s是靜態(tài)平衡狀態(tài)，2～3s是啟動(dòng)過程，3～59.8s是勻速起吊過程，59.8～60.8s是停止過程。單股繃?yán)K拉力的變化曲線如圖3所示。圖3中1 153.3kN的峰值是由于112.22mm/s2的啟動(dòng)加速度造成的。后面隨著龍門架和臂架的逐漸抬起，力臂減小，繃?yán)K需要克服的彎矩也在減小，所以繃?yán)K上的拉力逐漸減小。如圖3所示，最大瞬態(tài)拉力為1 153.3kN,最大穩(wěn)態(tài)拉力為1 028.9kN,臂架的支撐點(diǎn)有2個(gè)，由于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩邊的受力基本是一致的，因此只給出了單個(gè)支撐點(diǎn)的受力曲線。

圖3 單股繃?yán)K拉力的變化曲線

臂頭對(duì)龍門架的拉力變化曲線如圖4所示。圖4可以看出，在臂頭提拉龍門架的瞬間，啟動(dòng)加速度導(dǎo)致此處有一個(gè)81.69kN的峰值，隨著龍門架與地面夾角的逐漸增大，龍門架重心與臂頭的力臂略有增大，所以此處的力也穩(wěn)中有增，在龍門架逐漸接近與地面垂直的時(shí)候，臂頭把龍門架提離地面并調(diào)整到合適位置，然后放到地面上，所以在地面摩擦力和龍門架重力的聯(lián)合作用下，此處出現(xiàn)數(shù)值振蕩并出現(xiàn)峰值122.92kN,待龍門架被最終放到地面上時(shí)，臂頭所受拉力急劇下降，并最終達(dá)到穩(wěn)定。

圖4 臂頭對(duì)龍門架的拉力變化曲線

為了得到臂架支撐點(diǎn)處的載荷情況，以作為有限元模型的邊界條件，特提取了臂架支撐處垂向力和橫向力隨時(shí)間的變化曲線，從圖5、圖6可知，臂架支撐點(diǎn)垂向力最大值分別為瞬態(tài)值281kN和穩(wěn)態(tài)值201kN，對(duì)應(yīng)橫向力分別為118kN和116kN，臂架支撐點(diǎn)橫向力最大值578.25kN,對(duì)應(yīng)垂向力-4.02kN，這3組數(shù)據(jù)分別作為臂架起臂工況對(duì)應(yīng)臂架相應(yīng)角度的邊界條件，施加到支撐點(diǎn)處，以校核此處臂架的強(qiáng)度和剛度情況以及臂架支撐點(diǎn)處的強(qiáng)度情況。

圖5 臂架支撐點(diǎn)垂向力變化曲線

圖6 臂架支撐點(diǎn)橫向力變化曲線

3 回彈工況建模及數(shù)值仿真分析

3.1 回彈工況動(dòng)力學(xué)建模

強(qiáng)夯機(jī)的落錘過程中臂架會(huì)產(chǎn)生較劇烈的回彈動(dòng)作，載荷條件比較復(fù)雜，給強(qiáng)度校核與疲勞評(píng)估帶來困難；為了研究該動(dòng)作下臂架所承受的沖擊力、彈簧選擇是否滿足設(shè)計(jì)要求、各部件之間的相互作用力等，特建立了回彈工況的動(dòng)力學(xué)模型。通過數(shù)值仿真計(jì)算獲得動(dòng)態(tài)載荷及各部件之間相互作用力，彈簧的壓縮量及受力等，并分析其傾覆穩(wěn)定性。

回彈過程中能量主要來源于繃?yán)K的彈性變形能逐漸釋放并轉(zhuǎn)換成臂架結(jié)構(gòu)的動(dòng)能，然后轉(zhuǎn)換為彈簧的勢(shì)能，從而產(chǎn)生臂架地來回振蕩，最終通過摩擦及碰撞作用逐漸耗散能量，使臂架停下來的過程。因此繃?yán)K的彈性屬性對(duì)回彈動(dòng)作起決定性影響，較準(zhǔn)確的繃?yán)K彈性模量是該工況數(shù)值計(jì)算的核心。

CHUY320型強(qiáng)夯機(jī)回彈工況動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖7，其中夯錘質(zhì)量為18t，以鋼的密度7.82E-6kg/mm3，計(jì)算得整個(gè)臂架為5.74t，相應(yīng)的3個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為IXX=5.809E+11，IYY=5.805E+11，IZZ=3.214E+9。駕駛室與行走機(jī)構(gòu)固定連接，行走機(jī)構(gòu)與地面固定連接。由于鋼絲繩只能受拉力，而不能受壓力作用，本次計(jì)算采用分段彈簧來模擬鋼絲繩的特性，每段彈簧長(zhǎng)度為1 000mm，共分28段，如圖8所示。鋼絲繩作為受拉柔性構(gòu)件，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的鋼絲繩繞過滑輪、圓盤和卷筒時(shí)，或跑車的行走輪通過鋼絲繩時(shí)，鋼絲繩出現(xiàn)附加的壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，其應(yīng)力狀態(tài)是極其復(fù)雜的。從文獻(xiàn)報(bào)道看[3]，大多是對(duì)鋼絲繩進(jìn)行測(cè)試并統(tǒng)計(jì)出彈性模量變化范圍。

圖7 回彈工況動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖8 鋼絲繃?yán)K分段彈簧模擬模型

由于CHUY320型強(qiáng)夯機(jī)采用的繃?yán)K型號(hào)為6×19W+IWR-1870，查閱鋼絲繩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，鋼芯鋼絲繩等效彈性模量為ES=0.932E+5MPa，繃?yán)K的直徑為36mm。根據(jù)這些參數(shù)就可以求得每一段彈簧的等效剛度。

其中，ε為應(yīng)變；σ為工作應(yīng)力；E為彈性模量；K為剛度；l為原始長(zhǎng)度；Δl為伸長(zhǎng)量；F為拉力；A為力的作用面積。

根據(jù)公式(1)～(4)式可以得出分段彈簧剛度為

由于實(shí)際的防傾桿為兩段彈簧串聯(lián)作用，如圖9。本模型用一段彈簧來模擬所以其剛度相當(dāng)于串聯(lián)彈簧的剛度K=156.175N/mm，自由長(zhǎng)度為420mm，最大壓縮量為120mm。下拉桿彈簧剛度為K=312.35N/mm。自由長(zhǎng)度為405mm，最大壓縮量為45mm。

3.2 回彈工況動(dòng)力學(xué)分析

仿真時(shí)間取10s，前兩秒為靜平衡，在2s末，夯錘脫落，臂架開始回彈，2s之后是回彈動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。由于本次計(jì)算未考慮繃?yán)K的結(jié)構(gòu)阻尼，能量耗散比較慢，所以停止前所經(jīng)歷的回彈次數(shù)比實(shí)際多。

圖9 防傾桿彈簧接觸模擬模型

圖10表明，夯錘脫落之前，繃?yán)K上的拉力為恒定值170.96kN，隨著夯錘脫落，臂架回彈，繃?yán)K所受拉力從最大值變?yōu)?，并隨著臂架的前后振蕩，繃?yán)K上的值也從0到峰值之間變化，但沒超過恒定值。此載荷變化歷程可以作為疲勞分析的載荷譜，施加到有限元模型上，進(jìn)行疲勞壽命分析。

圖10 繃?yán)K拉力變化曲線

圖11、圖12分別為防傾桿上桿處彈簧拉力和彈簧壓縮量的變化曲線。由圖可以看出，在夯錘脫落之前，彈簧處于自由狀態(tài)，隨著夯錘脫落，彈簧被壓縮，最大壓縮量為113.905mm,其上的壓力最大為17.79kN。由于該彈簧的壓縮極限為120mm，所以上桿處彈簧的選型滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 防傾桿上桿處彈簧拉力變化曲線

圖12 防傾桿上桿處彈簧壓縮量變化曲線

圖13、圖14分別為防傾桿下桿處彈簧拉力和彈簧壓縮量的變化曲線。由圖可以看出，在夯錘脫落之前，彈簧處于自由狀態(tài)，隨著夯錘脫落，彈簧被壓縮，最大壓縮量為36.21mm,其上的壓力最大為11.31kN。由于該彈簧的壓縮極限為45mm，所以下桿處彈簧的選型滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 防傾桿下桿處彈簧拉力變化曲線

圖14 防傾桿下桿處彈簧壓縮量變化曲線

圖15、圖16分別為夯錘脫落時(shí)，臂架支撐點(diǎn)垂向力和橫向力的變化曲線?？梢缘玫剑诤诲N脫落之前，垂向力和橫向力的最大值分別為306.25kN和72.35kN，夯錘脫落之后，垂

圖15 臂架支撐點(diǎn)垂向力變化曲線

圖16 臂架支撐點(diǎn)橫向力變化曲線

向力和橫向力的最大值分別降為197.41kN和72.35kN,由于強(qiáng)夯機(jī)的工作載荷是典型的交變載荷，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不但要考慮到最大載荷，還需要根據(jù)下圖提供的載荷歷程來進(jìn)行疲勞壽命分析。

4 結(jié) 論

通過本次CHUY320型強(qiáng)夯機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算可以得出如下結(jié)論。

1）起臂過程中，單股繃?yán)K最大穩(wěn)態(tài)拉力為1028.9kN，發(fā)生在臂架與水平面平行的時(shí)刻。

2）回彈過程中上拉桿和下拉桿彈簧的壓縮量分別為113.1mm、36.2mm均未超過120mm、45mm的極限壓縮量，因此彈簧的選型滿足設(shè)計(jì)要求。

3）回彈過程中，臂架支撐點(diǎn)處和防傾桿處所受的力為典型的交變載荷，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，除了考慮峰值載荷之外，還要考慮交變載荷引起的疲勞破壞。

[參考文獻(xiàn)]

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號(hào)］TU67

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)04-0049-04

［收稿日期］2015-03-30

Dynamic calculation of CHUY320 dynamic compaction machinery