結構參數變化對提梁機結構動力特性的影響分析

陳士通,杜修力,張文學,趙振宇

(1.北京工業大學建筑工程學院,北京 100124;2.石家莊鐵道大學橋梁運架設備檢測中心,石家莊 050043)

結構參數變化對提梁機結構動力特性的影響分析

陳士通1,2,杜修力1,張文學1,趙振宇2

(1.北京工業大學建筑工程學院,北京 100124;2.石家莊鐵道大學橋梁運架設備檢測中心,石家莊 050043)

針對提梁機動力特性研究不夠深入,對提梁機安全性影響不夠系統的問題,采用數值仿真的方法,以MG450-38型提梁機為研究對象進行動力特性分析,分析表明,荷載、邊界條件和支腿高度等變化對動力特性的影響顯著,提梁機的動力分析應結合實際作業工況對結構參數綜合考慮,以判斷結構振動的不穩定因素,從避免共振的角度確定起重機部件參數以提高結構的安全可靠性。

提梁機;動態特性;模態分析;有限元;結構參數

450 t提梁機作為高速鐵路或客運專線專用大噸位箱梁設備,在高速鐵路和客運專線建設初期,由于多條線路同時開工,出于平行作業需要,施工企業購置了大量提梁機用于不同標段施工。近兩年鐵路建設速度放緩,施工單位可以對原有提梁機進行改造,從而適應新的梁場作業需要。在提梁機改造過程中,技術人員往往只注重對提梁機結構進行強度、剛度和穩定性檢算,通過增減支腿高度和卷揚機容繩量來適應跨墩提梁的需要,對于支腿高度及卷揚機容繩量變化對提梁機動力特性的影響認識不足,往往疏于分析計算。從設備改造后的反饋情況來看,提梁機設備往往出現結構晃動幅度偏大、司機室舒適度差、設備檢修人員心理恐懼等現象,究其原因,與設備動力性能有直接關系。動力性能是大型門式起重機的重要性能指標之一,振動不僅會造成結構的疲勞破壞,當激振力的頻率接近結構的某一固有頻率時,還會引起結構共振,產生很高的動應力,造成結構的強度破壞或產生不允許的大變形,破壞門式起重機的性能[1-2]。提梁機一般安裝在預制梁場,緊鄰箱梁臺座,施工環境惡劣、結構龐大,一旦發生事故,往往機毀人亡,生命財產、工程質量損失巨大。

提梁機作業工程中的每一個工況,如靜止起吊、重載走行、小車橫移等都會引起自身結構質量和剛度矩陣變化,受力狀況復雜多變。以MG450-38型提梁機為研究對象,在介紹其關鍵技術參數的基礎上,結合空間有限元模型對結構的動力特性進行了分析,分析結果為此類設備的優化設計和改造加工提供了理論指導和技術借鑒。

1 結構模態分析原理

提梁機的模態分析,因結構阻尼較小,對固有頻率和振型影響甚微,故忽略不計,將其歸于多自由度系統的無阻尼自由振動分析,其振動微分方程為[3]

式中,[M]、[K]分別為系統質量矩陣和剛度矩陣;{x}為系統的位移向量。求解{x}是一個典型的特征值問題求解。

將式(1)轉化為標準的特征值問題,振型方程為

式中,[S]=[M]-1[K],λ=

式(2)有非零解,則有頻率方程

由此方程可以得到提梁機動力特性,n個固有頻率及對應模態。對于動力作用下的結構而言,動力特性分析可為結構設計提供依據,提高結構系統的振動性能[4-8]。

2 提梁機有限元計算模型

2.1 提梁機構造特點及技術參數

MG450-38型提梁機如圖1所示,由主梁、剛性支腿和有限剛度支腿組成門架結構,起重小車可沿主梁上部軌道吊梁重載走行,支腿采用“人”字形結構,在“人”字形結構上部直線段可輕松增減變高節,滿足提梁機適應不同墩高,實現跨墩提梁作業的需要。

門式起重機跨度大于35 m時,以減小大車輪軌與走行軌道間的水平作用力及溫度變化造成的附加內力,門架結構支腿多采用“一剛一柔”結構型式,但此種結構型式會導致提梁機縱向水平位移較大,不利于作業安全。MG450-38型提梁機通過調整支腿與主梁的線剛度比,實現了剛性支腿和有限剛度支腿的門架結構,既降低了水平作用力,又可有效控制橫向位移,取得了理想效果。

圖1 450 t提梁機結構圖示

該機技術參數如下:額定起重質量450 t;起升高度25 m(通過增減支腿立柱調整高度);跨度38 m;利用等級U1;整機工作級別A3;機構工作級別M4;額定起升速度0.5 m/min;小車運行速度5 m/min;大車運行速度10 m/min。

2.2 有限元模型的建立

提梁機動力模型應能準確反映結構的動力性能,即起重小車、門架結構的剛度和質量分布,同時還應考慮司機室、走臺、欄桿等結構影響。考慮到提梁機金屬結構為鋼板焊接構件,再通過螺栓連接為門架結構,單元類型單一,故模型中門架結構采用梁單元模擬分析。

模型建立過程中,在保證結構模型能夠真實反映實際受力狀態的情況下,對一些局部進行了適當的簡化[9-11]:梯子、走臺、欄桿、司機室等以節點荷載形式施加,將螺栓連接視為剛性連接,有限元模型如圖2所示。

圖2 提梁機有限元模型

金屬結構材料為Q345,其彈性模量為206 GPa,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3。

3 結構振動模態計算及分析

提梁機作業是一個比較復雜的工況,作業過程中,負載、邊界條件和支腿高度的變化均會導致提梁機模態和陣型的變化。

3.1 負載變化的影響

提梁機不同于一般的門式起重機,其荷載模式僅為兩種:空載移動或額定荷載重載走行。由于低階模態占主要地位,影響提梁機性能的為低階模態,故文中僅列出前10階固有頻率和滿載頻率(表1)和前5階對應振型(圖3)。

表1 提梁前10階頻率Hz

圖3 提梁機前5階振型

分析表1和圖3可知:(1)重載作業使得門架結構質量矩陣發生了變化,滿載時振動頻率顯著降低,一階縱向、橫向和豎向頻率滿載與固有頻率比值在0.61～0.52;(2)重載作業使得結構3～10階振型振動方式發生了變化,使得豎向一階振型提前出現,但是空載和重載工況下,前兩階振型相同,分別為縱向和橫向振動;(3)結構階型的發生與荷載關系密切,隨著加載的發生,3～10階盡管振型出現次序發生了改變,但剛性支腿和柔性振動頻率變化不大;(4)豎向自振頻率大于2 Hz,說明其動態剛性滿足設計要求[12]。

3.2 約束變化的影響

提梁機大車走行車輪輪緣與走行軌道間留有間隙,提梁機在走行過程中,其車輪與軌道相互位置不停變化,直至輪緣與軌道接觸。因此,約束條件隨提梁機作業工況的變化而變化,為直觀了解約束條件對動力特性的影響,圖4給出了空載約束UX、UY、UZ(系列1)、空載約束全部自由度(系列2)、滿載約束UX、UY、UZ(系列3)、滿載約束全部自由度(系列4)狀態下結構頻率圖示。

圖4 約束的影響

從圖4中分析可知:(1)約束的增加導致結構頻率的加大,振動系統衰減時間減少;(2)空載工況下約束的增減對頻率的影響大于滿載工況,隨著階次升高,影響愈加明顯;(3)軌距誤差、軌道不平順、提梁機靜止和走行均會導致邊界條件發生變化,為了保證動力特性的準確性,實際分析時應根據具體作業工況對約束正確施加模擬。

3.3 支腿高度變化的影響

提梁機的主要功能是2臺450 t提梁機配合,實現大噸位箱梁提梁、移梁和跨度裝車,提梁機轉場作業后,由于橋墩高度的變化,往往需要改變自身高度來滿足跨墩提梁作業的需要。支腿高度的變化對結構頻率影響明顯,如圖5、圖6所示。

圖5 支腿高度變化對空載自振頻率的影響

圖6 支腿高度變化對滿載頻率的影響

由圖5和圖6可知:(1)支腿高度的改變會引起剛度矩陣的變化,隨著支腿高度的增加,相應階次模態頻率會降低;(2)支腿高度的變化,對滿載頻率的影響大于對空載頻率的影響,滿載頻率的變化幅度大于空載自振頻率;(3)由于變高對結構頻率影響較大,激勵頻率范圍改變,故需認真分析其動力特性。

4 結論

(1)對于大噸位橋梁起重設備,根據作業工況進行仿真分析,可以了解其動力特性,為設備安全作業奠定基礎。

(2)豎向振動可由起升電機或卷揚機激勵起振;縱向水平振動可由起重小車起、制動等原因激勵起振;橫向水平振動可由大車起、制動等原因激勵起振。大車和起重小車走行速度、小車起升速度、電機轉速和卷筒直徑等參數選擇時,應在避免共振的基礎上確定。

(3)提梁機高度和起重質量的變化,對結構頻率影響明顯。設備轉場后,提梁機變高改造或設備起重質量降級使用后,需對其進行動力特性分析,明確其頻率變化范圍,排除外界激勵源,提高作業安全性。

隨著西南地區高速鐵路和客運專線的開工建設,高墩橋梁的提梁架設對提梁機的性能指標提出了新的要求,起升高度、起升速度會相應增加以適應墩高需要,提梁機的動態特性分析更加重要。提梁機作業是一個動態的過程,邊界條件、質量位置等參數隨著不同的工況條件而時刻變化,各參數對動力特性的影響敏感程度不同,因此,在進行結構設計或結構優化時應綜合考慮各方面影響,精確模擬實際作業工況,從而達到動態特性分析為工程服務的目的。

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Influence of Structural Parameters Variation on Girder Hoisting Machine's Dynamic Characteristic

CHEN Shi-tong1,2,DU Xiu-li1,ZHANG Wen-xue1,ZHAO Zhen-yu2
(1.College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Quality Testing Center of Bridge Transportation and Erection Equipment,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

U445.36

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.023

1004-2954(2014)08-0095-03

2013-11-28;

2013-12-18

鐵道部科技研究開發計劃項目(2008G008-A);石家莊鐵道大學科研專項基金(20132023)

陳士通(1977—),男,高級工程師,博士研究生,E-mail: chst77@126.com。