淺析造船門式起重機動態(tài)剛性

王　晟

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063)

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淺析造船門式起重機動態(tài)剛性

王晟

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063)

摘要：針對某船廠80 t造船門式起重機工作狀態(tài)振動強烈，分別采用經(jīng)典力學(xué)計算和有限元計算兩種方法計算其動剛度，找出產(chǎn)生振動的原因，并提出相應(yīng)的整改措施。

門式起重機作為船廠必不可少的設(shè)備，其作業(yè)性能受到越來越多的人關(guān)注。門式起重機主要包括主梁、剛性腿、柔性腿，上小車、下小車、大車運行機構(gòu)和維修吊等。其振動特性是一個重要的指標(biāo)，該指標(biāo)影響作業(yè)安全性能。某船廠的門式起重機起重量為80t，跨度為55m，梁底高為26m，工作時振動強烈，極大的影響了現(xiàn)場作業(yè)。本文采用經(jīng)典力學(xué)模型和有限元(ANSYS)計算其動剛度，并與《GB/T3811—2008<起重機設(shè)計規(guī)范>釋義與應(yīng)用》[1]中對門式起重機的動剛度的要求相比較，找出該門式起重機振動的原因，并提出整改的措施，為今后的門式起重機設(shè)計提供相關(guān)參考。

1　經(jīng)典力學(xué)模型計算

對于門式起重機的動剛度的計算，文獻[2]中有相關(guān)的結(jié)構(gòu)簡化模型和相關(guān)的計算公式。參照該門式起重機的施工圖紙和相關(guān)技術(shù)參數(shù)(見圖1)，利用經(jīng)典力學(xué)理論計算該門式起重機的動剛度。

按照文獻[2]，關(guān)于一個剛性腿和一個柔性腿門式起重機的動態(tài)剛性的計算步驟為：首先根據(jù)門式起重機相關(guān)的技術(shù)參數(shù)計算該門式起重機的水平位移，然后計算其水平動態(tài)剛性。

該門式起重機的水平位移x=Hsinα

式中，P是該門式起重機的額定最大起重機，P=80t；H是大梁型心離地面的高度，H=27 550mm；L是軌距，L=55 000mm；E是彈性模量，E=206 000；I1是主梁截面慣性距，I1=3.17e11mm4?？傻忙?0.0023 °，x=63.74mm。

式中，I2是根據(jù)該模型的圖紙計算其剛性腿慣性距，I2=1.295e11 mm4；Me是當(dāng)量質(zhì)量，Me=286 kN·s2/cm?？傻胟=1.23，Ke=2 109 kN/cm，f=0.43 Hz。

2　有限元計算該門式起重機的動剛度

2.1　建模

依據(jù)該門式起重機的施工設(shè)計圖紙，采用梁單元(BEAM188單元)建立其有限元模型。參照每個部件的質(zhì)量統(tǒng)計表對各部件的材料密度做相應(yīng)的調(diào)整，以反映其整體真實質(zhì)量的大小及重心位置[3]。對于主要結(jié)構(gòu)件的附屬部件，采用均布載荷，最終完成整機的有限元模型，如圖2所示。

2.2　約束與載荷施加

結(jié)合門式起重機的實際使用情況，主梁和剛性腿聯(lián)接位置采用剛性聯(lián)接。主梁和柔性腿連接的位置采用鉸接，垂向位移與大車運行方向的位移耦合，其他方向自由度釋放。將該門式起重機的大車運行的鉸點施加3個方向的線位移約束。

圖1　某船廠80 t門式起重機設(shè)計總圖

圖2　80 t門式起重機有限元模型

2.3　動剛度計算結(jié)果

由振動的理論知識可知，大型鋼結(jié)構(gòu)的高階振頻在存在阻尼的情況下，迅速隨著時間衰減轉(zhuǎn)化為低階的振頻。因此，對于門式起重機這樣有著幾萬個振頻的大型鋼結(jié)構(gòu)，研究其高階的振動頻率沒有什么意義。一般情況下，對于大型鋼結(jié)構(gòu)都是選取前幾階的振頻來分析。本文中，選取80 t門式起重機的前五階的振頻作為該門式起重機動剛度的計算結(jié)果。其前五階的振動頻率如表1所示。

通過經(jīng)典力學(xué)計算得出該門式起重機的水平方向的振動頻率為0.43 Hz，而通過有限元模態(tài)分析計算得出作用在該門式起重機上的最小振動頻率為0.486 3 Hz?！禛B/T 3811-2008<起重機設(shè)計規(guī)范>釋義與應(yīng)用》中規(guī)定門式起重機的水平振動頻率不應(yīng)小于0.5 Hz。兩種方法都驗證了該門式起重機水平振動頻率不滿足規(guī)范的最低要求。因此，該門式起重機在垂直于軌道方向的水平振動過于強烈，導(dǎo)致整機在作業(yè)的過程中振動強烈，影響其安全性和舒適性。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于當(dāng)時的起重機設(shè)計規(guī)范中對于門式起重機的動態(tài)剛性沒有明確的要求，且相關(guān)的設(shè)計人員對于該門式起重機的動態(tài)剛性沒有足夠的重視。

通過有限元的后處理，可以得到該門式起重機前五階的振型如圖3～圖7所示。

圖3～圖7可以看出，第一階的振型主要集中在垂直于大車運行的軌道方向，這與實際的使用過程中垂直于大車軌道方向的變形量大的實際情況一致。這也從側(cè)面體現(xiàn)了有限元分析門式起重機的動態(tài)剛度的準(zhǔn)確性。

3　整改措施

由于該門式起重機在水平方向的振動頻率過小，整機的安全性和司機作業(yè)的舒適性等都受到極大的影響，因此必須采取相應(yīng)的措施提高該門機的安全性和作業(yè)的舒適性。由于門式起重機大梁與柔性腿聯(lián)接采用鉸接，在其局部增加剛性支承將會改變起重機的結(jié)構(gòu)形式。且在剛性腿門架內(nèi)部加一些相關(guān)的支承，會減小該門機的作業(yè)區(qū)域，因此在其剛性腿側(cè)門架外部增加水平支承，增大其剛性，增加局部水平支承，如圖8所示。

表1　門式起重機的振動頻率Table 1　Vibration frequency of grane crane

圖3　門式起重機第一階振型圖

圖4　門式起重機第二階振型圖

圖5　門式起重機第三階振型圖

圖6　門式起重機第四階振型圖

圖7　門式起重機第五階振型圖

相對應(yīng)該門式起重機在其剛性腿和主梁聯(lián)接處增加了局部支承的結(jié)構(gòu)圖，利用有限元建立其相應(yīng)的有限元模型，利用模態(tài)分析的后處理程序，得到其振動的頻率為f=0.518 6 Hz，其對應(yīng)的振型如圖9所示。通過增加局部支承后，該門式起重機的振動頻率得到了較大的提高，不僅滿足了規(guī)范的要求，而且還對本機的作業(yè)性能沒有什么影響。該整改方案以極小的經(jīng)濟代價取得了比較理想的效果。

圖8　增加局部支承的門式起重機結(jié)構(gòu)圖

圖9　增加局部支承后的第一階振型圖

4　結(jié)論

我們用兩種方法計算了80 t造船門式起重機水平方向的振動頻率，皆不滿足規(guī)范的最低要求。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，通過增加局部支承后，該門式起重機的振動頻率得到了較大的提高，滿足規(guī)范要求。在現(xiàn)場的整改中，取得了比較理想的效果。因此，在今后設(shè)計門式起重機時，垂直方向和水平方向的動態(tài)剛性都應(yīng)考慮到。

參考文獻

[1]全國起重機機械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》釋義與應(yīng)用.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]張質(zhì)文，等，起重機設(shè)計手冊.北京：中國鐵道出版社，2001.

[3]王晟，等.造船門式起重機模態(tài)分析研究.中國重型裝備，2013(4):3-6.

編輯傅冬梅

關(guān)鍵詞：動態(tài)剛性；門式起重機；振動

AnalysisonDynamicStiffnessofShipbuildingGantryCrane

WangSheng

Abstract：Regarding to intense working vibration of 80 t shipbuilding gantry crane in a certain shipbuilding factory, conventional mechanical calculation and finite element calculation have been applied respectively to calculate its dynamic stiffness to find out vibration cause and put forward relevant improvement measures.

Key words：dynamic stiffness; gantry crane; vibration

收稿日期：2014—12—26

中圖分類號：TH213.5

文獻標(biāo)志碼：A