1绪论

1.1工程硕士论文课题背景
与其他类型的起重机有所不同，缆机能否正常使用，绝大部分取决于其架空部分零部件的性能。架空部分是承载重物的载体，如果设计不合理，有可能造成结构件中的零部件破损跌落伤人的事故。另一方面，缆机的跨度一般比较大，其主副塔架的受力也较大，以一台跨度为1300m、起重量为300kN的缆机为例，主副塔架所承受的最大静态张力将超过4000kN，因此架空部分的结构特性直接关系到塔架部分的结构和安全。此外，缆机随着跨度、地形、运行速度、工作频率的不同，其架空部分的结构型式差异较大，如果架空部分的结构不尽合理，难以保证缆机达到预期的使用效率。另外，缆机的载重小车运行在架空部分柔性较大的承载索上，使缆机承载索组成的索道系统与一般的索道系统相比具有以下特性：1.跨度大，目前水利水电工程施工的混凝土饶筑型重型缆机，主副塔架之间跨度一般可达1000m左右；2.集中载荷大，水电工程施工中所用缆机的额定载重量一般在300kN左右，而且载荷集中在移动的承载小车处；3.承载小车运行速度快，远高于一般的索道系统。与门塔机等起重机械相比，缆机载重小车的运行速度可达7.5m/s以上，而门塔机的变幅速度一般小于3m/s;4.缆机运行过程中工况极其复杂，包括加速工况、减速工况、加载工况和卸载工况等；5.缆机载重小车的快速移动和吊重的升降由牵引绳和起升绳独立驱动，需要在缆机承载索上布置承马，以防止牵引绳和起升绳的互相缠结。承马需承受牵引绳和起升绳的重量，使承载索受力进一步增加。由于缆机的上述特性，缆机承载索的动力学响应特性极其复杂，承载索的横向振动与吊重的竖向振动相互稱合，使载重小车及其所吊运重物的振动幅值较大。在缆机跨度为lOOOm左右时，载重小车及重物的振动幅值一般可达十几米左右，并且随着缆机~的额定起重量、缆机跨度以及载重小车运行速度的增加，振动幅值增大的趋势越来越^！显，使承载索自身及两侧的主副塔架承受较大的动载荷。我国在三峡大现施工中，首次引进德国克虔伯所设计制造的缆机，并开始对闽外先进缆机设计与制造技术进行引进、消化和吸收。目前我国在缆机设计、制造和使用过程中，塔架、驱动及控制系统等方面的设计和制造技术都较为成熟，使用过程也很少出现故障。但国内对缆机架空部分的研宄程度和研制水平不够，尤其是承载索动力学特性的研宄仍然处于起步阶段，导致国内设计和制造的缆机，使用过程中其架空部分经常出现故障，包括承马脱落、零部件破损跌落至地面、承载索常有断丝等情况，从而影响到缆机的正常使用。由此可知，尽管缆机在总体的设计技术上比较成熟，但在其架空部分这? ?关键部件的设计技术上，尤其是架空部件的动力学特性和承载索的疲劳特性等方面的理论研宄仍较为薄弱。而且与其他起重机械不同，缆机缺乏设计规范，因此在设计重型缆机的时候，更多的足依靠经验而缺乏理论指导。本文结合现代力学理论和现代设计方法的最新进展，采用结构分析和动力学分析软件，对重塑缆机中承载索的动力学建模及其数值积分求解方法、承马部件的数字化建模和动力学仿真、承载索的疲劳特性等问题进行系统研宄。通过以上研宄，为现冇重型缆机的设计创新和改进，以及为将来更大型、高速的缆索起重机的设计提供指导。

1.2缆机的类型、架空主要部件的类型及在水电工程中的应用

1.2.1缆机的类型
按照缆机承载索跨的数目，缆机可分为单跨和多跨两种，其中多跨缆机的应用较少，只在架设长距离桥梁和特殊地形的工业建设中应用，且多跨缆机的功能比较单一，基本上与架空索道相类似。单跨缆机有下列分类方式：按塔架的结构形式分类按缆机塔架的结构形式可分为简易支架、钢塔架和无支架三种。简易支架式缆机以原木或型钢制成的简易塔架为支架，支架高度多在20ni以内，提升高度为15m以内，以工厂和森林工业中应用最多，有时在工程建设中也有釆用：钢塔架式缆机以桅杆钢结构或塔架钢结构为支架，工程建设中应用这类缆机较多，而在工业生产中应用较少，塔架高度在50 m以上的缆机主要用在水利建设工程上：无支架式缆机依据地形特征架设，承载索的两索端分别固结于两岸或两山顶的适当位置，该种型式的缆机在矿山工业和森林工业中应用比较多。早期的缆机由于受到可制造的承载索直径的限制，常采用两根承载索或四根承载索，山此增加缆机的额定起重量，这种缆机的载重小车的结构复杂，且起重绳在载重小车上的导绕次数多，使起重绳及载重小车上的起重滑轮磨损严重，因而新设计的缆机均不采用双索或四索。与用双索或四索相比，用单根承载索可使缆机的小车及承载索在塔头的悬挂装置构造简化，重量减轻，特别是可使承载索的弯曲应力减小和减轻承载索磨损，随着钢索制造能力的提高，目前所见到的缆机一般均釆用单根承载索。按承载索两端支点的运动情况分类按承载索两端支点的运动情况，缆机主要可分为固定式缆机、平移式缆机、摆塔(摇摆）式缆机和辖射式缆机。固定式缆机。承载索两端的支点固定不动，其工作的覆盖范围为一直线，这种缆机结构简单，造价低廉，基础及安装工作量少，可以采用很高的塔架，但使用灵活性较差，多用于临时性工程或大型工程中的辅助工作。平移式缆机。支承承载索的两塔架均带有行走机构，可沿轨道作平行移动。这种缆机的覆盖范围为一矩形，工作范围较大，但结构复杂，塔架占地面积大，基础工程量大，安装时的工作量也大。如图1-5、1-6分别为向家现、龙滩、小湾和溪洛渡水电工程所使用的平移式缆机，由图可知，这些缆机只有支架形式根据地形等要求略有变化。

2缆机架空索道系统的动力学模型

由于缆机是以柔性钢索（承载索）作为大跨度支撑构件，供悬吊重物的载重小车在索上往返运行的，因此承载索的设计与计算一直都是缆机设计中的重点。传统的承载索的理论和计算，涉及承载索的静态强度（其中主要是承载索的拉力），以及几何参数（其中主要的参数是垂度），采用的方法有两种：悬链线法和抛物线法。这两种方法的计算结果相近，但在工程设计中一般都采用抛物线法，主要是悬链线法的计算比较繁琐，虽然抛物线法计算得出的垂度值略小于悬链线法的计算结果，但在视线坡角不大的情况下，其误差极小，完全在工程设计的许可范围内。经过几十年的研宄和技术积累，现在在缆机架空索道的静力学计算方面，其计算方法己经比较成熟了，值在索道系统的动力学研究方面还非常不成熟。这在以前缆机的运行速度不高、起重量不大的情况下，不对其进行动力学研究尚不会对缆机的设计有大的影响。随着缆机的运行速度越来越高，起重置越来越大，对缆机进行动力学研宄的需求越发突出。在我国目前缆机的设计与计算中，凡与普通起重机械具冇共性的部分,其计算参数、工作制度、计算方法和安全系数等，均是遵循我国标准GB3811-1983的有关规定；而缆机独特的索道系统和工作绳部分，则是参照欧洲国际索道运输组织O.I.T.A.F推荐标准的有关规定。这从另一方面也说明：目前国内的设计单位对缆机索道系统的动力学特性的研究还不够深入。本章主要对重型缆机的索道系统的动力学特性进行分析，经过简化以后得到描述缆机索道系统的物理模型，并应用汉密尔顿（Hamilton)原理列写了承载索的运动方程，推导出了一组控制索-振子运动的偏微分方程。由于该偏微分方程组不存在封闭形式的解析解，因而运用伽辽金法（Galerkin)方法，把偏微分方程组转化为常微分方程组以便利于数值积分求解。在本章的结尾部分，也简要讨论了缆机牵引绳张力的求解方法。

3承载索运动方程解析及动力学仿真模拟........ 34
3.1形函数........ 34
3.2工程实例........ 36
3.2.1形函数阶数n的影响 ........37
3.2.2缆机各种工况下的分析结果........ 39
3.3承载索动力学仿真........ 46
3.3.1缆机承载索的动力学模........ 46
3.3.2工程实例仿真........ 47
3.4本章小结 ........51
4缆机承马部件的数字化建模和动力学........ 52
4.1承马的工作特性........ 52
4.2承马的三维数字化设计........52
4.2.1缆机承马三维数字化建模........ 52
4.2.2 承马的数字化装配........54
4.3承马的动力学模型........ 55
4.3.1基于冲击函数法的弹赞........ 55
4.3.2 承马碰撞动力学建模........ 56
4.3.3 承马构件约束........ 57
4.4承马碰撞动力学仿真........ 58
4.5承马优化设计研究........ 59
4.5.1 几何尺寸优化........ 59
4.5.2刚度与阻尼参数优化........ 62
4.6本章小结........ 63

结论

论文以国产重型缆机为对象，根据现代力学研究的最新进展，对重型缆机索道系统的动力学问题、缆机架空系统关键部件的设计分析和疲劳特性问题进行了研究；以现代设计理论为指导，在工具软件技术平台上，对缆机架空部件设计中的关键技术进行了系统的研究，取得了以下成果：
1.系统的研究了重型缆机承载索的动力学建模方法。在查阅大量文献的基础上，结合重型缆机的结构特点，并考虑到起升系统与承载索之间的稱合作用，把缆机架空系统合理的简化成均质弹性体和质量-弹簧-阻尼的移动振子的稱合作用系统。根据这一基本物理模型，应用汉密尔顿（Hamilton)原理列写了该系统的运动方程，通过力和位移协调这一本构关系，推导出了一组控制索-振子运动的偏微分方程。然后运用伽辽金法（Galerkin)方法，把偏微分方程组转化成了常微分方程组以便利于数倚积分求解。
2.针对控制索-振子运动的微分方程，研究了相应的数值积分求解方法和动力学仿真方法。首先研究了形函数阶数对收敛性的影响，然后结合缆机的载重量及承载索的直径等因素，选择正弦函数作为形函数并编制了 MATLAB程序。针对缆机工况较多的特点，对缆机的勾速、紧急加（减）速、加载以及减载等各种典型工况进行动力学分析。为进一步进行验证，在动力学仿真软件ADAMS平台上建立了缆机承载索的动力学模型，选择了几个有代表性的典型工况进行了对比研究，仿真结果与数值积分的求解结果基本一致。研宄结果表明：载重量、载重小车的运行速度等对于承载索的动力学特性有较大影响，对于目前的缆机结构，：当载重量不超过300kN时，载重小牢的速度不宜超过7.5m/s，否则缆机的架空部分会剧烈地振动，而使得缆机无法正常使用。研宄结论对重型缆机的设计及运行均有指导意义。
3.以现代设计理论为指导，运用三维建模软件、机械系统动力学分析软件以及存限元分析软件，对架空系统中的重要部件-承马进行了研究。论文结合承马的结构特征和设计流程，具体研宄了承马的三维设计方法。在ADAMS平台上对承马进行了动力学仿真，通过参数优化设计，确定了对承马张幵角度影响最大的铰点。在此基础上通过刚度和阻尼参数的优化，保证了承马启闭过程的平稳性和可靠性。
4.通过对缆机的工况和载荷进行分析，确定了缆机工作中最为危险的承马。然后选择空载、轻载以及满载等典型工况对承马进行了有限元结构分析，确定了承马结构中最为薄弱的部分。研宄方法和结果能直接应用于承马的实际工作，对承马结构轻型化、提高承马工作的可靠性具有一定参考价值。

参考文献
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