除罐道位置误差及变形外,钢丝绳的柔性特性也是提升机产生横向振动的主要原因之一。因此,分析提升系统的横向振动,有必要建立钢丝绳的横向振动分析模型。本文将提升容器(包含提升质量)处理为一个集中质量,将钢丝绳作为连续柔性体考虑,形成基于分布参数连续模型的钢丝绳横向振动分析模型。
钢丝绳是一个柔性体,其抗弯刚度同轴向刚度相比较小,故研究中可将其视为抗弯刚度为零的梁进行研究。当忽略钢丝绳的抗弯刚度时,钢丝绳可以处理为在二维平面做变长度运动的一条弦线。若忽略提升容器的结构细节,将提升容器(包含提升质量)处理为一个受约束的连接于弦线末端的集中质量,整个钢丝绳系统的力学模型如图2-2所示。图中,钢丝绳长度为 l ( t ),钢丝绳上 x ( t )处的横向位移为 y ( x , t ),提升容器等(集中质量)的质量为 m e ,转动惯量为 I e 。
图2-2中,在任意时刻 t ,钢丝绳的运动速度为
钢丝绳系统的动能是集中质量的振动动能和钢丝绳的振动能量之和,表示为
式中,D为微分算子,表示为
钢丝绳系统的势能由弹性势能和变形能组成,表示为
图2-2 钢丝绳系统的力学模型
式中, EI 为钢丝绳的抗弯刚度,若忽略钢丝绳的抗弯刚度,则 EI =0; P ( x , t )为钢丝绳上 x ( t )处的张力,表示为
式中, 为钢丝绳在 x 方向的加速度。
利用虚功原理得到
式中, c 为钢丝绳的阻尼系数。
对式(2-13)和式(2-15)取变分,得到
钢丝绳上阻尼力做的虚功为
将式(2-17)~式(2-19)代入哈密顿原理表达式
对式(2-21)在进行变分和积分运算的时候,由于钢丝绳的长度 l ( t )是随时间变化的,所以式中关于 x 积分的上限是时变的,因此,必须使用针对变积分范围的莱布尼茨定理以及相应的分部积分方法。这样,对式(2-21)中的δ W 进行积分时可以表示为
对式(2-22)由时间 t 1 ~ t 2 取积分得到
同理,对式(2-21)中的δ T 和δ V 项应用同样的方法,整理得到
其中
令式(2-24)的系数δ y 为零,得到钢丝绳横向振动方程为
振动方程的边界条件为