簡析工字鋼支腿的單軌電動葫蘆門架的水平振動

楊小姜 鞏 銳

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 無錫分院，江蘇 無錫 214000）

0 引言

輕小型起重設(shè)備中有一類無大車行走機構(gòu)、僅依靠電動葫蘆上下提升重物的設(shè)備，通常稱之為單軌電動葫蘆。這類設(shè)備中有的葫蘆單獨安裝在工字鋼上，結(jié)構(gòu)一般為門架式，多見于建筑安裝公司、電力、船舶、給排水和污水處理等基礎(chǔ)建設(shè)工程現(xiàn)場。

筆者在平時的單軌葫蘆的驗收檢驗中，與使用單位交流時經(jīng)常聽到他們抱怨施工單位沒有將其門架安裝可靠，原因是他們看到葫蘆運行停止后，葫蘆連同門架水平晃動較大，心理上感覺不安全；施工單位則感到“委屈”，他們稱完全按照施工方案施工，上部門架有一定晃動（振動）屬于正常現(xiàn)象，并且現(xiàn)在沒有一個標(biāo)準(zhǔn)說振動幅度要在某個范圍之內(nèi)。在“用戶就是上帝”的今天，為讓客戶滿意，施工單位經(jīng)常請教我們應(yīng)該如何減小這個晃動，以滿足使用單位心理感覺上的安全可靠。有鑒于此，現(xiàn)對這種設(shè)備的門架振動作一個分析。

1 模型的建立。

圖1是單軌電動葫蘆門架水平振動模型。門架四條支腿均為工字鋼結(jié)構(gòu),底端固定在混凝土的樁基上，上端通過螺栓與橫梁連接。主梁為箱型結(jié)構(gòu)，與橫梁通過螺栓固定連接。設(shè)四條工字鋼支腿長度均為l，葫蘆啟動后以時間Δt達到運行速度v。葫蘆自重m，通過驅(qū)動輪與主梁下部工字鋼的摩擦實現(xiàn)行走。工作時，上部門架因為葫蘆的行走發(fā)生水平晃動，以最初的振幅最大，以后逐漸衰減，設(shè)最初的振幅為δ。

圖1 單軌葫蘆門架模型

2 方程的建立

以葫蘆空載運行為例，建立支腿上端彈性變形的公式。

1）設(shè)每根工字鋼支腿的剛度為k，則根據(jù)振動理論[1]：

其中，E為工字鋼支腿的彈性模量，I為工字鋼梁的慣性矩。

2）葫蘆在工字鋼上的行走，是靠驅(qū)動輪與工字鋼的摩擦實現(xiàn)的。工字鋼對葫蘆的摩擦力f的沖量，等于葫蘆的動量增加量。由于作用時間短，此處認(rèn)為摩擦力f是常數(shù)，則有沖量定理：

3）工字鋼對葫蘆的摩擦力f與葫蘆對工字鋼的摩擦力f1是一對作用力和反作用力，f=-f1。葫蘆對工字鋼的摩擦力提供了支腿彈性變形的初始作用力，假設(shè)四根支腿受力相同，根據(jù)胡克定律f1=-4kδ，則位移

3 對變形公式的探討

由公式（3）可以看出，門架晃動（水平振幅）大小與工字鋼的材料E，截面形狀I(lǐng)，支腿長短l，葫蘆重量m（空載時）及葫蘆啟動時的瞬時加速度v/Δt都有關(guān)。

1）與m的關(guān)系

空載時，葫蘆自重m越小，振動幅度δ越小。在滿足使用要求的情況下，使用自重輕的葫蘆，可以減小晃動。起升重物后，其他條件不變的情況下，振幅δ會變大。有載運行會比空載運行晃動厲害。

2）與 l的關(guān)系

從公式上看δ與l是三次方的關(guān)系，相比于其他因素，振動幅度對門架支腿長度的變化更敏感。因此，滿足起升高度要求的情況下，盡量縮短支腿長度，會明顯減少門架的晃動。施工中可以在工字鋼振動方向上加斜支撐，實際變相縮短了支腿有效長度，可以大大減弱門架的晃動。

3）與E的關(guān)系

從公式上看是反比關(guān)系，即選用較大彈性模量的鋼材做支腿，比小彈性模量的支腿晃動小。下表給出了幾種常用的鋼材的彈性模量數(shù)據(jù)，可以看出幾種鋼材的彈性模量相差不大，因此變換支腿鋼材型號對減小晃動作用并不明顯。

4）與 I的關(guān)系

工字鋼的型號已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，慣性矩大的，振動幅度較小，但是選用時也要綜合考慮價格等因素，選用實用的型號。

5）與 v/Δt的關(guān)系

模型理想化之后是以勻加速處理的，但是實際啟動過程并不是勻加速，v/Δt表現(xiàn)為瞬時加速度。瞬時加速度大，葫蘆啟動的沖擊較大，晃動厲害。因此控制瞬時加速度的極大值也是減小振動的方法。工程實際中可以對葫蘆使用軟啟動電機驅(qū)動，以降低沖擊，減弱振動。同時需要注意的是，一般電機驅(qū)動的葫蘆在啟動時不宜頻繁點動運行，以避免振動疊加造成門架更大的晃動。

綜述，施工或者使用過程中發(fā)現(xiàn)工字鋼支腿的單軌葫蘆門架上端振動較大，可以綜合考慮影響振動幅度大小的幾個因素，來改善門架或主梁的工作條件。

[1]William T.Thomson，Marie Dillon Dahleh Theory of vibration with Applicationgs（fifth Edition）[M].北京：清華大學(xué)出版社，36.