崔丹丹 石國善

徐工集團工程機械股份有限公司建設(shè)機械分公司 徐州 221004

0 引言

為了滿足不斷升級的吊裝需求，適應(yīng)競爭日趨激烈的市場環(huán)境，提升產(chǎn)品的核心競爭力，履帶起重機桁架臂系統(tǒng)逐漸向性能更強、質(zhì)量更輕、成本更低的方向不斷發(fā)展。履帶起重機在吊載時，桁架臂在變幅平面和回轉(zhuǎn)平面都會產(chǎn)生位移，基于桁架臂的受力特點，其在變幅平面內(nèi)可簡化為簡支梁模型，回轉(zhuǎn)平面簡化為懸臂梁模型。由此可見，桁架臂在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的抗彎和抗失穩(wěn)能力更弱，且臂架的側(cè)向位移越大，臂架系統(tǒng)重心距離整機傾覆線越遠，傾覆力矩越大，整機抗傾覆穩(wěn)定性越差。桁架臂的側(cè)向位移一般是因地面不平、風(fēng)載荷、偏載、起制動引起的附加動載荷等因素而起，從吊裝過程的安全性考慮，保證桁架臂的側(cè)向位移顯得尤為重要，GB/T 14560—2011《履帶起重機》中明確規(guī)定：臂架組合的頭部側(cè)向水平位移不應(yīng)大于整個臂架組合長度的2%[1]。本文提出一種履帶起重機桁架臂側(cè)向位移的測量方法，并開發(fā)了相應(yīng)的硬件及軟件測量系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場試驗驗證結(jié)果的正確性。

1 起重機臂架系統(tǒng)側(cè)向位移測量方法研究現(xiàn)狀

1.1 測量臂架側(cè)向位移的現(xiàn)有技術(shù)

1）方法1 在桁架臂中心位置從頂節(jié)臂及底節(jié)臂布置拉索，在中間節(jié)的腹桿或弦桿上安裝拉繩位移傳感器，傳感器拉繩固定在拉索上，通過拉繩位移傳感器監(jiān)測各測量點拉索相對于吊臂腹桿或弦桿的位移距離，推出吊臂的彎曲度[2]。

2）方法2 針對箱形臂旁彎量的測量，方法是測量吊裝時箱形臂臂頭和臂尾之間的距離L，以及臂頭和臂尾的連線的實際位置相對于理論位置的偏轉(zhuǎn)角度θ，根據(jù)公式P＝L·sinθ得到吊臂的旁彎量P[3]。

3）方法3 利用全站儀測量臂架變形的[4]。

4）方法4 利用圖像識別法推導(dǎo)臂架變形[5]。

1.2 現(xiàn)有測量臂架側(cè)向位移技術(shù)存在的問題

1）方法1適用于單根臂的旁彎量測量，且前期布置較繁瑣，對于組合臂架工況（如固定副臂工況、塔式副臂工況等）該方法無法直接測得副臂臂頭的旁彎量。

2）方法2中旁彎量P＝L·sinθ對偏轉(zhuǎn)角度θ的測量精度過于敏感，臂長越長精度越差。

3）方法3和方法4成本較高，操作難度大。

2 履帶起重機桁架臂側(cè)向位移的測量方法

本文提出了一種適用于履帶起重機桁架臂側(cè)向位移的測量方法及測量系統(tǒng)，在測量桁架臂上某一點的位移時只需放置一臺移動站，通過地面的基站進行差分補償，無需設(shè)置其他參照物，即可較精確地測得從加載至卸載整個作業(yè)周期內(nèi)測點的側(cè)向位移。若需要測量多點的側(cè)向位移，則只需在相應(yīng)測點處布置移動站即可，共用一個基站進行誤差補償。

2.1 臂架側(cè)向位移測量系統(tǒng)

臂架側(cè)向位移測量系統(tǒng)為RTK測量系統(tǒng)，由移動站和基站部分2部分構(gòu)成，移動站部分原理圖如圖1所示，基站部分原理圖如圖2所示，并開發(fā)了配套的RTK側(cè)向位移測量軟件。

圖1 RTK測量系統(tǒng)移動站部分原理圖

圖2 RTK測量系統(tǒng)基站部分原理圖

2.2 測量臂架側(cè)向位移的實現(xiàn)方法

將移動站通過特制工裝固定在桁架臂測點位置（圖3中B點，該點測量的是臂頭的側(cè)向位移），保持移動站正面始終豎直向上，通過臂架上的電器盒為其供電，將基站布置在試驗過程中位置固定或變形可忽略的結(jié)構(gòu)件上（圖3中A點，如駕駛室頂部、轉(zhuǎn)臺上或地面等），移動站和基站接收北斗定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)基站數(shù)據(jù)通過差分補償?shù)乃惴▽σ苿诱緮?shù)據(jù)進行糾偏，使測量數(shù)據(jù)精度更高。數(shù)據(jù)記錄儀可記錄從加載至卸載整個周期內(nèi)測點的側(cè)向位移，測得的數(shù)據(jù)可導(dǎo)出至第三方軟件上做后期數(shù)據(jù)處理，加載過程中通過顯示設(shè)備可實時顯示測點側(cè)向位移的數(shù)值。在超長臂工況時，由于臂架剛度變化多次，為了獲得各變截面處的側(cè)向位移，應(yīng)在臂架變截面處布置相應(yīng)的移動站（如圖3中C點和D點），這些移動站共用一個基站實現(xiàn)誤差補償。

圖3 臂頭側(cè)向位移測量示意圖

2.3 側(cè)向載荷的施加方法

對于施加的側(cè)向載荷的大小，本文通過測量重物的水平偏移距離來控制，可通過理論計算結(jié)合有限元仿真求得施加相應(yīng)牽引力時牽引車需要移動的距離。由于桁架臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其等效截面慣性矩求解較為繁瑣，可選用有限元計算軟件進行仿真計算，得到指定側(cè)向載荷作用下測點的側(cè)向位移值K1，如圖4所示。以重物為研究對象，其受力情況如圖5所示，其中G為重物的重力，S為鋼絲繩的拉力，T為所需施加的側(cè)向載荷，通過力系平衡原理可得

圖4 牽引距離示意圖

圖5 重物受力示意圖

式中：θ為鋼絲繩的偏擺角。

由式（1）可得

若不考慮臂架的變形，在獲得所需牽引力T時，重物需要水平偏移的距離值K2可表示為

若考慮臂架的變形，在獲得所需牽引力T時，重物需要水平偏移的距離值K3可表示為

3 有限元分析

以某型履帶起重機114 m主臂工況為例，作業(yè)半徑為16 m，臂端施加114 t吊載及2%的側(cè)向載荷，臂架系統(tǒng)采用梁單元模擬，拉板及鋼絲繩采用桿單元模擬，通過非線性求解得到圖6所示臂架的位移云圖和圖7所示應(yīng)力分布云圖。

圖6 臂架的位移云圖

圖7 臂架應(yīng)力分布云圖

4 試驗分析

以某型履帶起重機114 m主臂工況為例，作業(yè)半徑為16 m，共5個試驗工況，每個工況測試3組，試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比，分析結(jié)果如表1所示。側(cè)向載荷通過側(cè)向載荷的施加方法施加，試驗中通過拉力傳感器顯示值進行驗證，驗證了該方法的可行性。通過本文提出的RTK臂架變形測量系統(tǒng)測得不同試驗工況下臂架頭部的側(cè)向位移，得到側(cè)向載荷與臂頭側(cè)向位移的變化曲線，圖8為某工況下側(cè)向載荷的加載全過程對應(yīng)的臂架頭部側(cè)向位移的變化曲線，側(cè)載施加過程應(yīng)緩慢平穩(wěn)施加，待側(cè)載施加至預(yù)定值后需要保持一段時間，確保側(cè)向位移的數(shù)值不會出現(xiàn)較大波動。

表1 試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比分析

圖8 側(cè)向載荷與臂頭側(cè)向位移的變化曲線

由表1數(shù)據(jù)可知，除少數(shù)試驗數(shù)據(jù)與仿真值誤差較大外，大部分誤差在5%以內(nèi)，試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本一致，驗證了RTK臂架變形測量系統(tǒng)的準確性。

5 結(jié)論

本文提出了一種履帶起重機桁架臂側(cè)向位移的測量方法，并開發(fā)了配套的軟硬件測量系統(tǒng)，通過有限元仿真計算對比現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，驗證了該測量方法的可行性及測量系統(tǒng)的準確性，該測量系統(tǒng)安裝簡便、可操作性強，解決了履帶起重機桁架臂側(cè)向位移難以精確測量的難題，具有推廣價值。