橋式起重機(jī)活動(dòng)司機(jī)室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性研究

張志剛

太重集團(tuán)科技開發(fā)公司 山西太原 030000

近些年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的不斷開展，以橋式起重機(jī)為首的機(jī)械設(shè)備逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)常用的設(shè)備之一。從運(yùn)行應(yīng)用角度上來(lái)看，橋式起重機(jī)通過(guò)橫架于車間、倉(cāng)庫(kù)以及料場(chǎng)上空，可實(shí)現(xiàn)物料吊運(yùn)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，橋式起重機(jī)可利用橋架下面的空間對(duì)物料進(jìn)行吊運(yùn)處理，在這一過(guò)程中不會(huì)受到地面設(shè)備的阻礙影響。不難看出，橋式起重機(jī)在靈活度以及安全性方面表現(xiàn)較強(qiáng)。其中，司機(jī)室作為橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分一定程度上可以保障起重機(jī)械運(yùn)輸質(zhì)量安全的作用[1]。結(jié)合以往的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，司機(jī)室通常會(huì)按照人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期可以保障橋式起重機(jī)運(yùn)行質(zhì)量安全。然而結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，橋式起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中容易受到較多不確定因素的影響，導(dǎo)致活動(dòng)司機(jī)室在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在質(zhì)量缺陷問(wèn)題。針對(duì)于此，建議研究人員應(yīng)該加強(qiáng)司機(jī)室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題的研究分析，盡量減少運(yùn)行質(zhì)量問(wèn)題。

1 某橋式起重機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

某55t×34m橋式起重機(jī)主要采用活動(dòng)司機(jī)室結(jié)構(gòu)形式，引進(jìn)于德國(guó)某公司設(shè)計(jì)與制造。最開始該活動(dòng)司機(jī)室吊掛在空間框架結(jié)構(gòu)的懸臂端位置，其中，該空間框架結(jié)構(gòu)主要有懸臂、立桿以及斜撐組成，立桿與斜撐結(jié)構(gòu)的另一端主要與小車架下橫梁底部相連。在應(yīng)用過(guò)程中，不少操作人員反映該活動(dòng)司機(jī)室振動(dòng)問(wèn)題明顯，且在操作過(guò)程中常常有墜落的感覺。為及時(shí)改善這一問(wèn)題，相關(guān)人員對(duì)該活動(dòng)司機(jī)室進(jìn)行了重點(diǎn)改造，主張將懸臂延長(zhǎng)并增設(shè)斜撐結(jié)構(gòu)。改造處理之后，該活動(dòng)司機(jī)室振動(dòng)感明顯減弱，在一定程度上消除了操作人員作業(yè)期間的風(fēng)險(xiǎn)性。但是經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行之后，操作人員反映該司機(jī)室又出現(xiàn)明顯下沉現(xiàn)象，并且在下沉過(guò)程中伴隨著劇烈振動(dòng)。顧慮到該起重機(jī)設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用近20年，且長(zhǎng)期承擔(dān)著較重的生產(chǎn)任務(wù)。針對(duì)于此，相關(guān)單位對(duì)該起重機(jī)設(shè)備進(jìn)行了全面檢測(cè)與性能評(píng)估，并重點(diǎn)針對(duì)其活動(dòng)司機(jī)室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題進(jìn)行了研究與分析。

2 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)試與分析

2.1 主要焊縫探傷

焊縫探傷基本上可以視為橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)試體系的重要組成部分。為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)橋式起重機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)試分析，操作人員針對(duì)主梁下蓋板對(duì)接焊縫以及腹板角焊縫等進(jìn)行了磁粉探傷，根據(jù)探傷反饋結(jié)果來(lái)看，并未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)裂紋[2]。

2.2 幾何測(cè)試

幾何測(cè)試主要圍繞上拱度、靜剛度以及水平旁彎度等參數(shù)變量問(wèn)題進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，結(jié)合上述幾何變形參數(shù)測(cè)量結(jié)果來(lái)看，因經(jīng)過(guò)多年的使用，其上拱度已經(jīng)不在允許范圍之內(nèi)。但是該車已經(jīng)使用近20年的時(shí)間，其上拱度仍可以保持18.5mm以及15.5mm，基本上可以認(rèn)為符合要求。與此同時(shí)，靜剛度也符合設(shè)計(jì)要求。需要注意的是，當(dāng)滿載小車處于跨中時(shí)，其兩根主梁會(huì)出現(xiàn)微小的下?lián)犀F(xiàn)象。在水平旁彎度方面，主梁水平旁彎度可以達(dá)到外凸1mm，大體上可以滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

2.3 主梁跨中應(yīng)力測(cè)試

在主梁跨中應(yīng)力測(cè)試方面，操作人員主要將應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)選在西主梁跨中位置，也就是上蓋板內(nèi)側(cè)上表面位置。其中，測(cè)點(diǎn)應(yīng)該避開焊縫位置以及加強(qiáng)筋板位置。在測(cè)試儀器的選擇上，可利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試過(guò)程的全周期管理。在測(cè)試分析過(guò)程中，操作人員可以讓空載小車停在主梁一端，此時(shí)儀器應(yīng)該調(diào)零；大車與空載小車應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整位置，直到吊具處位置之后吊起吊具；空載小車在移進(jìn)跨中位置時(shí)，應(yīng)該停留片刻；大車與空載小車調(diào)整位置之后，應(yīng)該放下吊具并吊起荷重；滿載小車移動(dòng)到跨中位置時(shí)，整機(jī)將會(huì)處于靜止上狀態(tài)[3]。

此時(shí)，操作人員應(yīng)該測(cè)量靜剛度；吊具吊著荷重反復(fù)做下降制動(dòng)以及上升制動(dòng)操作，并做好動(dòng)剛度測(cè)試，根據(jù)測(cè)試反饋結(jié)果，判斷其中運(yùn)行情況；大車以及滿載小車應(yīng)該做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中緩緩移動(dòng)到荷重停放處，此時(shí)，空載小車應(yīng)該回到主梁端部，停止上述測(cè)試。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋情況來(lái)看，這一測(cè)試過(guò)程持續(xù)了40分鐘左右，操作人員從中測(cè)取動(dòng)應(yīng)力信號(hào)。

2.4 主梁動(dòng)剛度

橋式起重機(jī)在提升荷重的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的激振力，而產(chǎn)生的激振力會(huì)引發(fā)金屬結(jié)構(gòu)垂直振動(dòng)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，這種振動(dòng)效應(yīng)并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力造成直接影響，卻會(huì)對(duì)其中運(yùn)行性能產(chǎn)生一定影響，如可能會(huì)惡化結(jié)構(gòu)件的受力條件。在實(shí)踐研究過(guò)程中，操作人員通常會(huì)以橋架自振頻率也就是我們常說(shuō)的動(dòng)剛度作為衡量因素，在完成動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試之后，操作人員可截取主梁跨中應(yīng)力信號(hào)表現(xiàn)情況以及起升制動(dòng)片段，完成傅立葉變換過(guò)程，獲取主梁動(dòng)剛度數(shù)值[4]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況來(lái)看，主梁動(dòng)剛度為1.8Hz。按照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)看，主梁動(dòng)剛度應(yīng)該超過(guò)2Hz。也就是說(shuō)，該起重機(jī)主梁難以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，也就是動(dòng)剛度要求。因此可以理解其中基礎(chǔ)量無(wú)法滿足動(dòng)剛度要求，是導(dǎo)致司機(jī)室劇烈振動(dòng)的重要因素。

3 橋式起重機(jī)活動(dòng)司機(jī)室結(jié)構(gòu)測(cè)試分析

3.1 關(guān)鍵部位應(yīng)力測(cè)試

因司機(jī)室連接框架受力特點(diǎn)相對(duì)特殊，操作人員在應(yīng)力測(cè)試分析方面只選取關(guān)鍵部位，如懸臂與立桿連接點(diǎn)、立桿與小車架連接點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力信號(hào)圖反饋情況來(lái)看，懸臂上表面應(yīng)力變化比較明顯，其中，比較明顯的靜應(yīng)力一般多集中體現(xiàn)在跨中工況當(dāng)中，如空鉤小車靠近跨中位置以及滿載小車位于跨中位置。根據(jù)應(yīng)力數(shù)值反饋情況來(lái)看，位于南側(cè)位置的測(cè)點(diǎn)在空鉤工況應(yīng)力數(shù)值的表現(xiàn)上主要為17.1MPa；北側(cè)應(yīng)力數(shù)值為20.6MPa。

按照規(guī)范要求來(lái)看，滿載工況的應(yīng)力應(yīng)該表示為16.3MPa。從客觀角度上來(lái)講，在某些工況條件的影響下，應(yīng)力變化趨勢(shì)可能會(huì)存在較大波動(dòng)問(wèn)題，這也可以從側(cè)面反映出司機(jī)室在移動(dòng)過(guò)程中存在豎直剛度不足，引發(fā)司機(jī)室整體偏轉(zhuǎn)的問(wèn)題。因此在信號(hào)圖反饋上，可以明顯看出兩側(cè)懸臂一個(gè)處于受拉狀態(tài)，一個(gè)處于松弛狀態(tài)。并且一個(gè)始終處于增大狀態(tài)，另一個(gè)始終處于減少狀態(tài)[5]。

需要注意的是，小車架下橫梁應(yīng)力變化并不是很明顯，在幅值變化方面基本上可以滿足一定要求。另外，在整個(gè)靜剛度測(cè)試過(guò)程中，整臺(tái)起重機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。但是對(duì)于小車架下橫梁表面而言，其應(yīng)力存在漸變趨勢(shì)，側(cè)面反映出司機(jī)室豎直方向存在剛度不足的問(wèn)題。

3.2 振動(dòng)分析

根據(jù)起重機(jī)不同運(yùn)動(dòng)工況表現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員主張將測(cè)試過(guò)程分為多個(gè)短時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試分析。其中，在分析過(guò)程中，操作人員需要對(duì)每一個(gè)時(shí)間段的應(yīng)力信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，目的在于獲得不同方向的特征頻率。在具體處理過(guò)程中，操作人員需要對(duì)每一次計(jì)算取前5階，根據(jù)數(shù)值反饋結(jié)果確定能量最集中的主頻區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，我們可以將這一主頻區(qū)域視為其對(duì)應(yīng)方向的固有頻率。從整體上來(lái)看，結(jié)合相關(guān)數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)小車運(yùn)行對(duì)立桿上端以及小車架連接部位所產(chǎn)生的振動(dòng)影響并不是很大，但是對(duì)于懸臂上對(duì)稱位置而言，所產(chǎn)生的振動(dòng)影響較為明顯。同時(shí)，在大車運(yùn)行以及吊鉤起吊測(cè)點(diǎn)位置方面，所產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題比較明顯，與起重機(jī)操作人員感覺一致，存在明顯下沉且振動(dòng)現(xiàn)象。

對(duì)于同一部位而言，不同工況在頻率方面存在較大差異。究其原因，主要是因?yàn)椴煌r對(duì)起重機(jī)產(chǎn)生的激勵(lì)效果存在一定差異。對(duì)于同種結(jié)構(gòu)對(duì)稱部位測(cè)點(diǎn)而言，在頻率分布表現(xiàn)上基本上可以呈現(xiàn)出相似特點(diǎn)。但是在某些特殊情況下也會(huì)存在差異問(wèn)題，可以從側(cè)面說(shuō)明其振動(dòng)形態(tài)并不是完全一致的。除此之外，在吊鉤起升以及下降過(guò)程中，吊鉤曾經(jīng)著地。針對(duì)這一現(xiàn)象問(wèn)題，操作人員可對(duì)著地前后兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試分析[6]。根據(jù)分析反饋結(jié)果，確定主梁著地前后的振動(dòng)頻率。結(jié)合司機(jī)室立桿傅立葉變換結(jié)果來(lái)看，在豎直方向振動(dòng)頻率的表現(xiàn)上主要以1.8Hz與2Hz為主。結(jié)合《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)看，該活動(dòng)司機(jī)室在振動(dòng)性能方面不符合要求，導(dǎo)致操作人員在操作過(guò)程中會(huì)感受到明顯的振動(dòng)問(wèn)題。從水平方向上來(lái)看，其振動(dòng)頻率大于3Hz，基本合格。

4 結(jié)果分析

結(jié)合上述幾何測(cè)試表明，該橋式起重機(jī)在上拱度以及靜剛度方面都存在不同程度的薄弱問(wèn)題，同時(shí)水平旁彎度也存在薄弱問(wèn)題。但是從橋式起重機(jī)使用功能上來(lái)看，上述數(shù)值可基本符合要求。經(jīng)應(yīng)力測(cè)試顯示，該橋式起重機(jī)在主梁以及司機(jī)室關(guān)鍵連接部位方面所表現(xiàn)出的應(yīng)力情況并不是很明顯，同時(shí)應(yīng)力幅值也并不是很大，基本上可以滿足設(shè)計(jì)要求。但是需要注意的是，司機(jī)室連接框架所顯現(xiàn)出的對(duì)稱布置中的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化并不是完全一致。足以說(shuō)明，該對(duì)稱結(jié)構(gòu)在受力特點(diǎn)方面并不完全對(duì)稱。在復(fù)合運(yùn)動(dòng)的工況條件下，司機(jī)室豎直方向所呈現(xiàn)出的振動(dòng)頻率多次出現(xiàn)波動(dòng)問(wèn)題，導(dǎo)致操作人員在司機(jī)室內(nèi)可以感受明顯振動(dòng)。再加上動(dòng)剛度嚴(yán)重不足，可能會(huì)對(duì)其中操作人員安全操作構(gòu)成威脅，并且容易引發(fā)安全生產(chǎn)事故。

5 相關(guān)建議

為確保橋式起重機(jī)始終處于高效穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，建議操作人員應(yīng)該在不增加工作強(qiáng)度的條件下，對(duì)其進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)。以本文所研究的橋式起重機(jī)為例，操作人員可在不增加工作強(qiáng)度的條約下繼續(xù)使用。同時(shí),管理人員應(yīng)該對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期性能測(cè)試與評(píng)估，且日常點(diǎn)檢工作也應(yīng)該落實(shí)到位。另外，司機(jī)室連接結(jié)構(gòu)應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須按照人機(jī)工程學(xué)原理，提高司機(jī)室與小車架之間的連接剛性。需要注意的是，操作人員應(yīng)該嚴(yán)格規(guī)范個(gè)人的操作行為，嚴(yán)格按照橋式起重機(jī)操作規(guī)范要求，避免橋式起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量隱患問(wèn)題[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過(guò)本文對(duì)橋式起重機(jī)活動(dòng)司機(jī)室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究與分析，不難看出，引發(fā)橋式起動(dòng)機(jī)活動(dòng)司機(jī)室振動(dòng)問(wèn)題的因素較多，在具體排除與管理過(guò)程中，操作人員應(yīng)該主動(dòng)結(jié)合問(wèn)題的具體成因以及表現(xiàn)，采取針對(duì)性措施加以規(guī)避處理。與此同時(shí)，在選用橋式起重機(jī)的過(guò)程中，操作人員應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求以及工藝流程內(nèi)容，選擇質(zhì)量達(dá)標(biāo)的橋式起重機(jī)進(jìn)行應(yīng)用。除此之外，對(duì)于存在老化問(wèn)題的橋式起重機(jī)應(yīng)進(jìn)行定期維護(hù)與保養(yǎng)。情況嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)進(jìn)行及時(shí)更換，從根本上橋式起重機(jī)活動(dòng)司機(jī)室運(yùn)行質(zhì)量安全。