核环吊吊点轨迹偏差分析

摘要

核电站环行桥式起重机（核环吊）是核电站内更换反应堆燃料、吊装和维修反应堆厂房内重型设备时所用的特种起重机，特殊的工作环境对核环吊的定位精度提出了很高的要求。由于核环吊工作环境封闭、工作运行平缓，其吊点轨迹主要由系统自身结构决定，因此，滑轮钢丝绳系统，作为工程中常见的机械系统，其布局和绕绳方式是影响核环吊吊点定位精度的关键因素。目前，国内外很多学者针对起重机吊重偏摆问题的研究取得了显著的成果，但在处理滑轮钢丝绳系统问题时却过于简化，所建模型已不适用于核环吊高精度定位的要求。本文基于核环吊起升机构的具体特点，对其吊点轨迹进行了系统性的分析，所做工作主要如下:
　　(1)考虑滑轮钢丝绳系统的具体布局和绕绳方式，提出了一种分析核环吊吊点轨迹偏差的准静态平衡路径法。在该方法中:给出了吊钩滑轮组平衡路径方程和系统绳长协调条件，并详细讨论了方程中所涉及的各种变量的性质和计算方法;提出了确保与钢丝绳绕绳方式一致的空间滑轮公切线求解方法;在计算钢丝绳拉力时，考虑了动滑轮位置改变所引起的拉力方向变化;综合考虑钢丝绳僵性效应和滑轮摩擦阻力的影响，得到了新的滑轮效率系数，进而给出了滑轮两端拉力的传递关系;给出了卷筒卷入的绳长、留在系统分支中的绳长的计算方法;讨论了导向轮、平衡柱等部件对吊点轨迹的影响机理。最后，通过对吊重挂点的运动学分析，说明了所提方法的合理性，对于核环吊滑轮钢丝绳系统的设计有一定的参考价值。
　　(2)对于一些起升机构，其钢丝绳两端均连于卷筒，当提升重物时，两端钢丝绳同时驱动系统中的滑轮，导致在工作过程中部分滑轮的转动方向可能会发生改变，进而影响滑轮两端的拉力传递关系。针对这一问题，本文将提升高度作为系统基本描述参数，将吊钩组运动速度、转动速度及钢丝绳拉力变化率作为系统广义速度，通过对空间滑轮公切点坐标方程对高度求导得到滑轮入绳点和出绳点的速度，进而得到拉力方向变化率;然后对吊钩组平衡方程与协调条件求一阶偏导数，把高度非线性的平衡路径方程转换为一阶微分方程进行求解，并采用约束稳定化方法防止数值求解中出现违约，提出了一种更具普适性的滑轮钢丝绳系统吊点轨迹分析的一阶微分模型，可应用于不同类型的核环吊起升机构。通过数值算例，验证了该模型的有效性，并且相比于原来的非线性方程，一阶微分模型显著加快了计算效率。
　　(3)为准确分析吊点偏摆，提高吊点定位的精度，本文将提升速度作为已知参数建立了吊钩组的刚体动力学方程。在已知滑轮入绳点和出绳点速度的基础上，进一步推导了滑轮入绳点和出绳点加速度的表达式，进而给出了卷筒参数协调方程和系统绳长协调方程的二阶微分形式，并采用约束稳定化方法防止违约的出现。根据高度方向上达朗贝尔原理得到钢丝绳拉力，进而得到吊钩组加速度、卷筒参数加速度等所满足的二阶微分方程。将吊钩组动力学结果与前述的平衡路径结果对照，验证了结果的正确性，分析结果对于核环吊的运行控制有一定的参考价值。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 起重机分类及发展趋势

1．2 核环吊研究背景

1．2．1 核环吊结构特点

1．2．2 核环吊研究现状

1．2．3 滑轮钢丝绳系统研究现状

1．2．4 吊点偏摆研究现状

1．3 目前存在的问题

1．4 本文主要工作

2 核环吊吊点平衡路径模型

2．1 引言

2．2 平衡路径方程

2．3 滑轮两端拉力递推关系

2．4 钢丝绳的拉力方向

2．4．1 滑轮之间公切线方程

2．4．2 空间点与滑轮的公切线

2．4．3 滑轮钢丝绳系统的描述及力的传递

2．5 绳长协调条件

2．6 系统总体方程

2．7 导向轮力矩平衡方程

2．8 平衡柱作用分析

2．9 数值算例

2．9．1 吊重挂点运动学分析

2．9．2 吊重对吊点轨迹偏差的影响

2．9．3 平衡柱刚度对吊点轨迹偏差的影响

2．9．4 升降对吊点轨迹偏差的影响

2．10 本章小结

3 吊点轨迹分析的一阶微分模型

3．1 引言

3．2 起升机构的广义速度

3．3 滑轮入绳点和出绳点的速度

3．4 滑轮角速度与绳速

3．5 滑轮两端拉力变化率关系

3．6 系统协调方程

3．6．1 协调条件的一阶微分形式

3．6．2 约束稳定化

3．7 求解完备性分析

3．8 数值算例

3．8．1 双联单分支系统仿真分析

3．8．2 计算效率对比

3．9 本章小结

4 吊钩组动力学分析

4．1 引言

4．2 吊钩组动力学方程

4．3 系统协调条件的二阶微分

4．4 约束稳定化

4．5 系统总体方程

4．6 数值算例

4．6．1 简单起升机构仿真分析

4．6．2 复杂起升机构仿真分析

4．7 本章小节

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介