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1、 鋼絲繩的動(dòng)力學(xué)仿真與聯(lián)系 摘要 我們提出一個(gè)動(dòng)態(tài)的仿真,包括接觸鋼絲繩一個(gè)絞盤鼓及液壓系統(tǒng)利用有限的元素法?？焖俳g盤操作往往會(huì)造成亂繞組的鋼絲繩的,這是一項(xiàng)重要的質(zhì)量問題。因此,動(dòng)態(tài)模擬所需的液壓絞車系統(tǒng)設(shè)計(jì)在工程機(jī)械。鋼絲繩的模型利用考慮桁架元素大排量的運(yùn)動(dòng)。鋼絲繩之間的聯(lián)系和絞車滾筒進(jìn)行建模利用可變長(zhǎng)桁元素和雙線性彈簧單元。提出了一種改進(jìn)的牛頓算法對(duì)非線性動(dòng)態(tài)分析。仿真結(jié)果表明,一些杠桿操作導(dǎo)致繩子松動(dòng)、強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)。 關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)模擬;鋼絲繩;聯(lián)系;絞車系統(tǒng);桁架元素;液壓系統(tǒng) 1 介紹 在絞盤操作塔式起重機(jī),當(dāng)懸架負(fù)載上發(fā)條一樣,鋼絲繩的所做不到

2、的很快停止,因?yàn)樵诳焖龠\(yùn)行慣性力,而絞盤是能夠做到這一點(diǎn)。這引起的松動(dòng)鋼絲繩和無序繞組,在絞盤。如果絞盤蜿蜒的操作是執(zhí)行條件下,無序繞組嗎遭受嚴(yán)重?fù)p害鋼絲繩。因此,評(píng)價(jià)鋼絲繩的動(dòng)態(tài)特性質(zhì)量問題已成為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)舞臺(tái)。鋼絲繩之間的聯(lián)系和絞車滾筒應(yīng)考慮為了表達(dá)動(dòng)態(tài)行為中鋼絲繩蜿蜒的作品。此外,耦合分析考慮液壓系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)要求絞車滾筒以來所驅(qū)使液壓系統(tǒng)。另一方面,研究[1,2]在多體動(dòng)力學(xué)讓我們預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)特性在詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)階段,他們提供基本溶液和定量評(píng)價(jià)。我們還開發(fā)了一個(gè)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析“密碼”SINDYS非線性力學(xué)系統(tǒng),包括液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開始的1985年,擁有廣泛的多用途設(shè)計(jì)分析工

3、具的[3]。在本文中,我們已經(jīng)開發(fā)出一種動(dòng)態(tài)仿真模型對(duì)塔式起重機(jī)鋼絲繩在考慮在研的絞車滾筒和接觸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)液壓系統(tǒng)使用SINDYS。 進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真闡明了主要因素的鋼絲繩的松動(dòng)那發(fā)生于快速絞盤操作。 2 鋼絲繩的耦合分析理論體系和液壓系統(tǒng) 圖1顯示一個(gè)塔式起重機(jī)是指用于這個(gè)仿真研究。上緊了發(fā)條的負(fù)荷是通過電線由液壓絞車鋼絲繩,如圖2。這摘要鋼絲繩是考慮桁架元素來模擬大型旋轉(zhuǎn)以空間。thewire之間的接觸和絞車滾筒繩來模擬使用可變長(zhǎng)度的桁架單元的滑輪,雙線性彈簧單元。液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模利用管道,閥門的元素,元素的和等等。 2.1運(yùn)動(dòng)的微分方程 運(yùn)動(dòng)微分方程的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可

4、以被描述成為一般如下: (1) 、、、是慣性力向量,阻尼力向量,彈性力向量,外力向量分別。MCK類型的非線性運(yùn)動(dòng)方程來得到線性的耦合系統(tǒng)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制和靈活的時(shí)間tn，如下圖: 圖1 塔式起重機(jī)與液壓絞車系統(tǒng) 圖2. 液壓絞車系統(tǒng) (2) 在的狀態(tài)變量的向量,是位移矢量在靈活的聯(lián)動(dòng),并且那是在時(shí)整體的流動(dòng)速率矢量。時(shí)間為時(shí)，M、C、K是線性化質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣,fn+1是時(shí)間為是的外力向量。是線性化向量中非線性元件力向量在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。 2.2考慮到長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)的大型桁架 在該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間元

5、素,以及元素力可來源于位移在全球框架,因?yàn)橹挥休S向力在悄然興起力量的元素,如圖3所示。分子間的關(guān)系表達(dá)式的彈性力和節(jié)點(diǎn)位移,能得到考慮應(yīng)變能到第二學(xué)期的位移、科學(xué)為了考慮幾何剛度所引起的軸向力。 圖3 三維空間的桁架 圖4 長(zhǎng)度可變的桁架 2.3可變長(zhǎng)度的桁架元素 可變長(zhǎng)度的桁架的原理是,長(zhǎng)度可調(diào)的滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng),如圖4。在兩結(jié)點(diǎn)上的彈性力的關(guān)系表達(dá)式,以相同方式考慮應(yīng)變能的二階期限的位移可以得到這個(gè)位移。 2.4液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理 對(duì)液壓系統(tǒng)的耦合分析和靈活的聯(lián)軸機(jī)制是液壓馬達(dá)的基本組成部分。當(dāng)綜合流量液壓傳動(dòng)系統(tǒng)與節(jié)點(diǎn)位移的聯(lián)動(dòng)機(jī)制相互耦合時(shí)

6、, 可進(jìn)行耦合分析。閥門的壓力損失的因素有,液壓系統(tǒng)中止回閥的方向控制和安全閥壓力控制。 2.5針對(duì)非線性方程組的計(jì)算機(jī)技術(shù) 對(duì)耦合的分析與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和靈活的聯(lián)動(dòng),非線性特征分為兩類：其中一個(gè)連續(xù)變化，就像易彎曲的連接裝置的非線性和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的壓力損失，其他的事分段線性特性，例如止回閥、安全閥等等。雖然在以往的情況下,牛頓方法適合收斂算法的計(jì)算結(jié)果，用變量時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算大小比例于非線性強(qiáng)度,后者的牛頓方法是毫無用處的。之前提到的系統(tǒng)是由牛頓方法和交界處的分段線性系預(yù)測(cè)替代法合并后的計(jì)算技術(shù)。 在這種技術(shù)中,最初的時(shí)間-步長(zhǎng)可以設(shè)定盡可能大,交叉點(diǎn)可以通過良好的精度。假設(shè)高剛度分段線性

7、原理,其狀態(tài)變量來被扭曲的數(shù)值,然后時(shí)間積分特性應(yīng)該改進(jìn)后的附加質(zhì)量的方法。流程圖是顯示在圖5。 圖5 計(jì)算流程圖的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 3 動(dòng)態(tài)模擬快速絞車鋼絲繩的運(yùn)行 3.1之間的接觸的建模和絞車鋼絲繩鼓 該模型在圖6中顯示,被認(rèn)為是為了建模的鋼絲繩之間的聯(lián)系和鼓。可變長(zhǎng)度的桁架安裝在桁架各節(jié)點(diǎn)和絞盤中心之間。如果滑輪的可變長(zhǎng)度的桁架單元可以自由旋轉(zhuǎn),可變長(zhǎng)桁元素能被自由的擴(kuò)展和收縮,然后議案的滑輪不影響鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)。接觸器是安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)位移上,增加了金屬帶,如圖6(b),這樣,可變長(zhǎng)度桁架不變短的條件。因此,在接觸帶絞盤之后可變長(zhǎng)度桁架產(chǎn)生相當(dāng)大的彈簧反應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)A移動(dòng)到

8、絞盤后繼續(xù)移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)B.在另一方面,松動(dòng)的鋼絲繩時(shí)發(fā)生像D點(diǎn)停止迅速。然后接觸彈簧不得影響鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)。之間的摩擦力絞車滾筒和鋼絲繩的被忽視,這樣的松動(dòng)鋼絲繩易發(fā)生。 圖6 建模過程中鋼絲繩之間的聯(lián)系和絞盤鼓 圖7 液壓絞車系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 圖8 絞盤杠桿操作系統(tǒng) 圖 9 絞盤旋轉(zhuǎn)角度的改變 圖10 電機(jī)電壓變化 3.2 對(duì)塔式起重機(jī)液壓絞車系統(tǒng)的建模 圖7顯示控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)液壓絞車系統(tǒng)仿真。鋼絲繩的劃分成R1到R4四部分。R1的部分圍繞在絞車,它分為90桁架。此外,可變長(zhǎng)度桁架均已安裝各節(jié)點(diǎn)之間和中心絞車滾筒、接觸彈簧單元安裝在滑輪。R4部

9、分被分為38份,R3和R4部分分別分成3和4部分。 3.3在絞盤迅速停止鋼絲繩的動(dòng)態(tài)仿真分析 絞車進(jìn)行快速停止使用時(shí)鋼絲繩的動(dòng)態(tài)的仿真，該模型在圖7。載荷假設(shè)為空(只有鉤),這樣,鋼絲繩很容易出現(xiàn)松動(dòng)。假定的初始狀態(tài)是最大的杠桿操作,在這個(gè)例子中,絞車滾筒自轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)速、載荷結(jié)束。這種情況下,絞盤根據(jù)鋼絲繩纏繞在絞盤之后操縱桿運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。杠桿操作成現(xiàn)行變化,如圖8。絞車滾筒角速度在圖9。外部壓力的液壓馬達(dá)在圖10。圖11為鋼絲繩圖表。從圖11(a),我們可以看出,鋼絲繩大部分伸出卷筒的外面。在這種情況下,無序纏繞鋼絲繩可能會(huì)發(fā)生,是因?yàn)椴唤佑|絞盤。 圖11 絞車鋼絲繩迅速停止圖解

10、圖12 緩慢停止液壓絞車的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng) 圖13 緩慢停止液壓絞車的滾筒角速度變化 圖14 慢速停止液壓絞車馬達(dá)出口壓力變化 4 慢速液壓絞車系統(tǒng)仿真的系統(tǒng) 在這一節(jié)中,我們提出一個(gè)復(fù)雜的液壓系統(tǒng),為防止無序繞組即使絞盤正迅速地操作。利用上述模型、鋼絲繩的仿真進(jìn)行了預(yù)測(cè)鋼絲繩的松動(dòng)。該絞車系統(tǒng)模型顯示在圖12。該系統(tǒng)包括一個(gè)溢流閥和一個(gè)節(jié)流閥安裝在液壓馬達(dá)的出油口驅(qū)動(dòng)絞盤。這些閥門使出口壓力的液壓馬達(dá)減速。液壓馬達(dá)進(jìn)油口安裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)器來防止空穴現(xiàn)象。 在只安裝減壓閥的情況下進(jìn)行了該系統(tǒng)仿真，安裝節(jié)流閥也進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。角速度的改變和轎車滾筒壓力變化的仿真結(jié)果在圖

11、13、14中。卷筒鋼絲繩的圖表在圖15中。在案例1中發(fā)生卷筒鋼絲繩松動(dòng)，如圖15。在案例2中鋼絲繩沒有松動(dòng)，因?yàn)橛泄?jié)流閥。研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以防止無序繞繩。 圖15 液壓絞車慢速旋轉(zhuǎn)使鋼絲繩松弛 5 結(jié)論 本文綜合考慮塔式起重機(jī)鋼絲繩的動(dòng)力學(xué)仿真，不僅結(jié)合絞車滾筒的特點(diǎn)，也有應(yīng)用SINDYS液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)。具體來說,以下分已經(jīng)被證實(shí): (1)絞車滾筒和鋼絲繩之間的接觸可以用可變桁架與彈簧接觸精確的模擬出來。 (2)鋼絲繩的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)生在液壓絞車剎車的時(shí)候，其影響液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 (3)慢速液壓絞車被推薦使用，該系統(tǒng)可以防止鋼絲繩無序纏繞，使絞盤操作靈敏。

12、 參考 [1] S. C. Wu and E. J. Haug, Geometric Nonlinear Substructuring for Dynamics of Flexible MechanicalSystems, International Journal of Numerical Methodsin Engineering, 26 (1988) 2211-2226. [2] A. A. Shabana, Flexible Multibody Dynamics: Reviewof Past and Recent Developments, Multibody Syste

13、m Dynamics, 1 (1997) 189-222. [3] E. Imanishi, H. Zui, Y. Inoue and T. Fujikawa,Simulation Technique of Flexible Linkage Mechanism and Its Application to Level Luffing Control System for Cranes, Proceedings of Advanced Mechatronics, (1989) 365-371. [4] E. Imanishi, T. Nanjo, E. Hirooka and Y. Inoue,Dynamic Simulation of Flexible Multibody System with Hydraulic Drive System, Proceedings of ACMD2004, 100011, (2004). 第16頁