450t提梁機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

陳士通+趙振宇+孫志星

摘要：針對(duì)提梁機(jī)動(dòng)力特性研究不夠深入，對(duì)提梁機(jī)安全性能影響不夠系統(tǒng)的問題，采用數(shù)值仿真的方法，對(duì)提梁機(jī)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，把振型和頻率這兩個(gè)安全因子應(yīng)用到提梁機(jī)的安全性分析中。結(jié)果表明：提出的安全因子能夠準(zhǔn)確、快速地分析其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并能較好的判斷結(jié)構(gòu)振動(dòng)的不穩(wěn)定性因素，從避免共振的角度提出了起重機(jī)部件參數(shù)的選取原則，提高了結(jié)構(gòu)的安全性能。

關(guān)鍵詞：提梁機(jī)；模態(tài)分析；動(dòng)力特性；安全因子

中圖分類號(hào)：U445.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BAnalysis on Structural Dynamic Characteristics of 450 t Gantry CraneCHEN Shitong1，2， ZHAO Zhenyu1， SUN Zhixing1

450 t提梁機(jī)是一種用于高速鐵路或客運(yùn)專線的大型門式起重機(jī)，2臺(tái)450 t提梁機(jī)配合作業(yè)可實(shí)現(xiàn)900 t級(jí)預(yù)制箱梁的提梁、移梁和裝車作業(yè)。提梁機(jī)的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)一般是基于功能需要來確定其技術(shù)參數(shù)，具體設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，最終確定其結(jié)構(gòu)形式。從一些設(shè)備的使用反饋來看，經(jīng)常出現(xiàn)連接部位強(qiáng)度破壞、結(jié)構(gòu)件局部變形、結(jié)構(gòu)晃動(dòng)幅度偏大等情況，究其原因，是設(shè)計(jì)人員忽略了提梁機(jī)的動(dòng)力特性分析。對(duì)于大型門式起重機(jī)來說，其動(dòng)力特性的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)門式起重機(jī)的性能有著重要影響。振動(dòng)不但可能造成門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，還會(huì)產(chǎn)生共振和噪聲。當(dāng)受到激振力的頻率與門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近時(shí)，就有可能引起結(jié)構(gòu)共振，從而產(chǎn)生很高的動(dòng)應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞或產(chǎn)生不允許的大變形，影響門式起重機(jī)的性能[12]。結(jié)構(gòu)門架在移動(dòng)荷載激勵(lì)作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)產(chǎn)生的變形和應(yīng)力都會(huì)大于靜止荷載作用，故移動(dòng)載荷的這種動(dòng)效應(yīng)必須引起重視，如果移動(dòng)荷載處于門架最不利的作用位置且滿足共振條件，將會(huì)激發(fā)更大的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。動(dòng)態(tài)剛性的設(shè)計(jì)對(duì)起重機(jī)的吊裝精度、作業(yè)效率、疲勞壽命、司機(jī)健康及工作安全等因素起決定性作用[34]。

1結(jié)構(gòu)模態(tài)分析原理

對(duì)提梁機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，因其結(jié)構(gòu)阻尼較小，對(duì)固有頻率和振型影響甚微，故忽略不計(jì)，將其歸于多自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動(dòng)分析，其振動(dòng)微分方程為[5][M]{x··}+[K]{x}=0（1）式中：{x}為各階振動(dòng)的模態(tài)；[M]、[K]分別為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣。求解{x} 是一個(gè)典型的特征值問題求解。

2提梁機(jī)的有限元計(jì)算模型

2.1提梁機(jī)的基本構(gòu)造和主要參數(shù)

提梁機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要由主梁、剛性支腿和假想柔性支腿組成。在設(shè)計(jì)起重機(jī)時(shí)，當(dāng)梁跨度大于30 m時(shí)，通常會(huì)采用1個(gè)剛性支腿1個(gè)柔性支腿相結(jié)合的門架結(jié)構(gòu)，可減小因超靜定產(chǎn)生的水平支反力，但此種結(jié)構(gòu)形式會(huì)導(dǎo)致提梁機(jī)橫向位移較大，故本機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過調(diào)整一側(cè)支腿與主梁的線剛度比（螺栓連接），實(shí)現(xiàn)假想柔性支腿，這種處理方式既降低了水平支反力，又可有效控制橫向位移。

主梁上部設(shè)有起升系統(tǒng)，可沿主梁上部軌道走行，實(shí)現(xiàn)箱梁橫移，整機(jī)行走通過下部走行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)參數(shù)如下：額定起重量為450 t，起升高度為30 m，跨度為35 m，工作級(jí)別為A3，額定起升速度為05 m· min-1，小車運(yùn)行速度為3 m·min-1，大車運(yùn)行速度為5 m·min-1。

2.2有限元模型的建立

建立有限元模型時(shí)，考慮到提梁機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)由不同厚度的鋼板焊成，再通過螺栓連接成為門架結(jié)構(gòu)，其單元類型單一，故采用beam188模擬主梁與支腿進(jìn)行分析。

模型建立過程中，在保證結(jié)構(gòu)模型能夠真實(shí)反映實(shí)際受力狀態(tài)的情況下，對(duì)一些局部進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

（1） 梯子、走臺(tái)、欄桿和司機(jī)室等對(duì)整體結(jié)構(gòu)無影響的部件予以省略，用Mass 21單元的形式將它們的質(zhì)量附加在模型上。

（2） 省略螺栓等連接件，將螺栓連接部位視為剛性連接。

（3） 主梁上部軌道具有一定的剛性，故建模時(shí)將軌道與主梁截面視為組合截面，采用同一單元。

（4） 用Mass 21單元的形式將起升系統(tǒng)和吊具的質(zhì)量施加在軌道上。

（5） 金屬結(jié)構(gòu)材料為Q345，其彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg·m-3，泊松比為0.3。

3結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1模態(tài)分析

利用ANSYS軟件對(duì)提梁機(jī)結(jié)構(gòu)的空間模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，模態(tài)提取方法選擇Block Lanczo法，得到結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)分析的固有頻率，如表1所示。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以理解為各階固有振型的線性組合，其中低階模態(tài)占主要地位，考慮結(jié)構(gòu)阻尼的作用，振動(dòng)響應(yīng)中的高階部分衰減也很快，故常對(duì)高階模態(tài)忽略不計(jì)，各階模態(tài)陣型如圖1所示。

（1） 提梁機(jī)采用剛性支腿和假想柔性支腿的門式結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的柔性較大，自振頻率略低，自振周期較大。

（2） 第1、4、6階固有振型反映了提梁機(jī)的橫向水平振動(dòng)，可由起重小車啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（3） 第2、5、9、10階固有振型反映了提梁機(jī)的縱向水平振動(dòng)，可由大車啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（4） 第3振型反映了提梁機(jī)沿走行軌道的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

（5） 第7、8階固有振型反映了提梁機(jī)的垂直振動(dòng)，可由起升機(jī)構(gòu)啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（6） 第4、6、7、9、10階固有振型反映了支腿可由提梁機(jī)水平擺動(dòng)激勵(lì)起振，柔性支腿更易激發(fā)。

（7）豎向自振頻率大于2 Hz，說明其動(dòng)態(tài)剛性滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

（8） 綜合以上振型圖分析，假想柔性支腿和主梁是提梁機(jī)振動(dòng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

（9） 前7階自振頻率的振動(dòng)均在水平方向，故應(yīng)注意提梁機(jī)水平方向激勵(lì)源引起的振動(dòng)。

4結(jié)語

建立合理的提梁機(jī)有限元模型，通過模態(tài)分析，可明確了解提梁機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，在選取電機(jī)轉(zhuǎn)速、大車及起重小車走行速度與車輪直徑、起重小車起升速度與卷筒直徑等參數(shù)時(shí)，盡量使其激勵(lì)的頻率遠(yuǎn)離固有頻率，從而避免共振造成的強(qiáng)度破壞或大變形影響提梁機(jī)的結(jié)構(gòu)性能。通過模態(tài)分析還可以為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳瑋璋，顧迪民.起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，1985.

[2]GB/T 3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]楊明亮，徐格寧，常爭艷，等.基于有限元法的橋式起重機(jī)橋架模態(tài)分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（1）：135137.

[4]王斌華，邵雨紅，呂彭民.基于ANSYS的450 t提梁機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011，28（6）：7477.

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[6]張會(huì)遠(yuǎn)，喬云強(qiáng).考慮塔吊影響的橋塔施工階段動(dòng)力特性分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007，24（6）：3840.

[7]戢平，郭燕.大型橋式起重機(jī)承軌梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2012，34（4）：460463.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint

摘要：針對(duì)提梁機(jī)動(dòng)力特性研究不夠深入，對(duì)提梁機(jī)安全性能影響不夠系統(tǒng)的問題，采用數(shù)值仿真的方法，對(duì)提梁機(jī)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，把振型和頻率這兩個(gè)安全因子應(yīng)用到提梁機(jī)的安全性分析中。結(jié)果表明：提出的安全因子能夠準(zhǔn)確、快速地分析其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并能較好的判斷結(jié)構(gòu)振動(dòng)的不穩(wěn)定性因素，從避免共振的角度提出了起重機(jī)部件參數(shù)的選取原則，提高了結(jié)構(gòu)的安全性能。

關(guān)鍵詞：提梁機(jī)；模態(tài)分析；動(dòng)力特性；安全因子

中圖分類號(hào)：U445.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BAnalysis on Structural Dynamic Characteristics of 450 t Gantry CraneCHEN Shitong1，2， ZHAO Zhenyu1， SUN Zhixing1

450 t提梁機(jī)是一種用于高速鐵路或客運(yùn)專線的大型門式起重機(jī)，2臺(tái)450 t提梁機(jī)配合作業(yè)可實(shí)現(xiàn)900 t級(jí)預(yù)制箱梁的提梁、移梁和裝車作業(yè)。提梁機(jī)的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)一般是基于功能需要來確定其技術(shù)參數(shù)，具體設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，最終確定其結(jié)構(gòu)形式。從一些設(shè)備的使用反饋來看，經(jīng)常出現(xiàn)連接部位強(qiáng)度破壞、結(jié)構(gòu)件局部變形、結(jié)構(gòu)晃動(dòng)幅度偏大等情況，究其原因，是設(shè)計(jì)人員忽略了提梁機(jī)的動(dòng)力特性分析。對(duì)于大型門式起重機(jī)來說，其動(dòng)力特性的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)門式起重機(jī)的性能有著重要影響。振動(dòng)不但可能造成門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，還會(huì)產(chǎn)生共振和噪聲。當(dāng)受到激振力的頻率與門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近時(shí)，就有可能引起結(jié)構(gòu)共振，從而產(chǎn)生很高的動(dòng)應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞或產(chǎn)生不允許的大變形，影響門式起重機(jī)的性能[12]。結(jié)構(gòu)門架在移動(dòng)荷載激勵(lì)作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)產(chǎn)生的變形和應(yīng)力都會(huì)大于靜止荷載作用，故移動(dòng)載荷的這種動(dòng)效應(yīng)必須引起重視，如果移動(dòng)荷載處于門架最不利的作用位置且滿足共振條件，將會(huì)激發(fā)更大的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。動(dòng)態(tài)剛性的設(shè)計(jì)對(duì)起重機(jī)的吊裝精度、作業(yè)效率、疲勞壽命、司機(jī)健康及工作安全等因素起決定性作用[34]。

1結(jié)構(gòu)模態(tài)分析原理

對(duì)提梁機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，因其結(jié)構(gòu)阻尼較小，對(duì)固有頻率和振型影響甚微，故忽略不計(jì)，將其歸于多自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動(dòng)分析，其振動(dòng)微分方程為[5][M]{x··}+[K]{x}=0（1）式中：{x}為各階振動(dòng)的模態(tài)；[M]、[K]分別為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣。求解{x} 是一個(gè)典型的特征值問題求解。

2提梁機(jī)的有限元計(jì)算模型

2.1提梁機(jī)的基本構(gòu)造和主要參數(shù)

提梁機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要由主梁、剛性支腿和假想柔性支腿組成。在設(shè)計(jì)起重機(jī)時(shí)，當(dāng)梁跨度大于30 m時(shí)，通常會(huì)采用1個(gè)剛性支腿1個(gè)柔性支腿相結(jié)合的門架結(jié)構(gòu)，可減小因超靜定產(chǎn)生的水平支反力，但此種結(jié)構(gòu)形式會(huì)導(dǎo)致提梁機(jī)橫向位移較大，故本機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過調(diào)整一側(cè)支腿與主梁的線剛度比（螺栓連接），實(shí)現(xiàn)假想柔性支腿，這種處理方式既降低了水平支反力，又可有效控制橫向位移。

主梁上部設(shè)有起升系統(tǒng)，可沿主梁上部軌道走行，實(shí)現(xiàn)箱梁橫移，整機(jī)行走通過下部走行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)參數(shù)如下：額定起重量為450 t，起升高度為30 m，跨度為35 m，工作級(jí)別為A3，額定起升速度為05 m· min-1，小車運(yùn)行速度為3 m·min-1，大車運(yùn)行速度為5 m·min-1。

2.2有限元模型的建立

建立有限元模型時(shí)，考慮到提梁機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)由不同厚度的鋼板焊成，再通過螺栓連接成為門架結(jié)構(gòu)，其單元類型單一，故采用beam188模擬主梁與支腿進(jìn)行分析。

模型建立過程中，在保證結(jié)構(gòu)模型能夠真實(shí)反映實(shí)際受力狀態(tài)的情況下，對(duì)一些局部進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

（1） 梯子、走臺(tái)、欄桿和司機(jī)室等對(duì)整體結(jié)構(gòu)無影響的部件予以省略，用Mass 21單元的形式將它們的質(zhì)量附加在模型上。

（2） 省略螺栓等連接件，將螺栓連接部位視為剛性連接。

（3） 主梁上部軌道具有一定的剛性，故建模時(shí)將軌道與主梁截面視為組合截面，采用同一單元。

（4） 用Mass 21單元的形式將起升系統(tǒng)和吊具的質(zhì)量施加在軌道上。

（5） 金屬結(jié)構(gòu)材料為Q345，其彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg·m-3，泊松比為0.3。

3結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1模態(tài)分析

利用ANSYS軟件對(duì)提梁機(jī)結(jié)構(gòu)的空間模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，模態(tài)提取方法選擇Block Lanczo法，得到結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)分析的固有頻率，如表1所示。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以理解為各階固有振型的線性組合，其中低階模態(tài)占主要地位，考慮結(jié)構(gòu)阻尼的作用，振動(dòng)響應(yīng)中的高階部分衰減也很快，故常對(duì)高階模態(tài)忽略不計(jì)，各階模態(tài)陣型如圖1所示。

（1） 提梁機(jī)采用剛性支腿和假想柔性支腿的門式結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的柔性較大，自振頻率略低，自振周期較大。

（2） 第1、4、6階固有振型反映了提梁機(jī)的橫向水平振動(dòng)，可由起重小車啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（3） 第2、5、9、10階固有振型反映了提梁機(jī)的縱向水平振動(dòng)，可由大車啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（4） 第3振型反映了提梁機(jī)沿走行軌道的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

（5） 第7、8階固有振型反映了提梁機(jī)的垂直振動(dòng)，可由起升機(jī)構(gòu)啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（6） 第4、6、7、9、10階固有振型反映了支腿可由提梁機(jī)水平擺動(dòng)激勵(lì)起振，柔性支腿更易激發(fā)。

（7）豎向自振頻率大于2 Hz，說明其動(dòng)態(tài)剛性滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

（8） 綜合以上振型圖分析，假想柔性支腿和主梁是提梁機(jī)振動(dòng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

（9） 前7階自振頻率的振動(dòng)均在水平方向，故應(yīng)注意提梁機(jī)水平方向激勵(lì)源引起的振動(dòng)。

4結(jié)語

建立合理的提梁機(jī)有限元模型，通過模態(tài)分析，可明確了解提梁機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，在選取電機(jī)轉(zhuǎn)速、大車及起重小車走行速度與車輪直徑、起重小車起升速度與卷筒直徑等參數(shù)時(shí)，盡量使其激勵(lì)的頻率遠(yuǎn)離固有頻率，從而避免共振造成的強(qiáng)度破壞或大變形影響提梁機(jī)的結(jié)構(gòu)性能。通過模態(tài)分析還可以為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳瑋璋，顧迪民.起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，1985.

[2]GB/T 3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]楊明亮，徐格寧，常爭艷，等.基于有限元法的橋式起重機(jī)橋架模態(tài)分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（1）：135137.

[4]王斌華，邵雨紅，呂彭民.基于ANSYS的450 t提梁機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011，28（6）：7477.

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[6]張會(huì)遠(yuǎn)，喬云強(qiáng).考慮塔吊影響的橋塔施工階段動(dòng)力特性分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007，24（6）：3840.

[7]戢平，郭燕.大型橋式起重機(jī)承軌梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2012，34（4）：460463.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint

摘要：針對(duì)提梁機(jī)動(dòng)力特性研究不夠深入，對(duì)提梁機(jī)安全性能影響不夠系統(tǒng)的問題，采用數(shù)值仿真的方法，對(duì)提梁機(jī)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，把振型和頻率這兩個(gè)安全因子應(yīng)用到提梁機(jī)的安全性分析中。結(jié)果表明：提出的安全因子能夠準(zhǔn)確、快速地分析其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并能較好的判斷結(jié)構(gòu)振動(dòng)的不穩(wěn)定性因素，從避免共振的角度提出了起重機(jī)部件參數(shù)的選取原則，提高了結(jié)構(gòu)的安全性能。

關(guān)鍵詞：提梁機(jī)；模態(tài)分析；動(dòng)力特性；安全因子

中圖分類號(hào)：U445.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BAnalysis on Structural Dynamic Characteristics of 450 t Gantry CraneCHEN Shitong1，2， ZHAO Zhenyu1， SUN Zhixing1

450 t提梁機(jī)是一種用于高速鐵路或客運(yùn)專線的大型門式起重機(jī)，2臺(tái)450 t提梁機(jī)配合作業(yè)可實(shí)現(xiàn)900 t級(jí)預(yù)制箱梁的提梁、移梁和裝車作業(yè)。提梁機(jī)的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)一般是基于功能需要來確定其技術(shù)參數(shù)，具體設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，最終確定其結(jié)構(gòu)形式。從一些設(shè)備的使用反饋來看，經(jīng)常出現(xiàn)連接部位強(qiáng)度破壞、結(jié)構(gòu)件局部變形、結(jié)構(gòu)晃動(dòng)幅度偏大等情況，究其原因，是設(shè)計(jì)人員忽略了提梁機(jī)的動(dòng)力特性分析。對(duì)于大型門式起重機(jī)來說，其動(dòng)力特性的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)門式起重機(jī)的性能有著重要影響。振動(dòng)不但可能造成門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，還會(huì)產(chǎn)生共振和噪聲。當(dāng)受到激振力的頻率與門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近時(shí)，就有可能引起結(jié)構(gòu)共振，從而產(chǎn)生很高的動(dòng)應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞或產(chǎn)生不允許的大變形，影響門式起重機(jī)的性能[12]。結(jié)構(gòu)門架在移動(dòng)荷載激勵(lì)作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)產(chǎn)生的變形和應(yīng)力都會(huì)大于靜止荷載作用，故移動(dòng)載荷的這種動(dòng)效應(yīng)必須引起重視，如果移動(dòng)荷載處于門架最不利的作用位置且滿足共振條件，將會(huì)激發(fā)更大的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。動(dòng)態(tài)剛性的設(shè)計(jì)對(duì)起重機(jī)的吊裝精度、作業(yè)效率、疲勞壽命、司機(jī)健康及工作安全等因素起決定性作用[34]。

1結(jié)構(gòu)模態(tài)分析原理

對(duì)提梁機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，因其結(jié)構(gòu)阻尼較小，對(duì)固有頻率和振型影響甚微，故忽略不計(jì)，將其歸于多自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動(dòng)分析，其振動(dòng)微分方程為[5][M]{x··}+[K]{x}=0（1）式中：{x}為各階振動(dòng)的模態(tài)；[M]、[K]分別為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣。求解{x} 是一個(gè)典型的特征值問題求解。

2提梁機(jī)的有限元計(jì)算模型

2.1提梁機(jī)的基本構(gòu)造和主要參數(shù)

提梁機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要由主梁、剛性支腿和假想柔性支腿組成。在設(shè)計(jì)起重機(jī)時(shí)，當(dāng)梁跨度大于30 m時(shí)，通常會(huì)采用1個(gè)剛性支腿1個(gè)柔性支腿相結(jié)合的門架結(jié)構(gòu)，可減小因超靜定產(chǎn)生的水平支反力，但此種結(jié)構(gòu)形式會(huì)導(dǎo)致提梁機(jī)橫向位移較大，故本機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過調(diào)整一側(cè)支腿與主梁的線剛度比（螺栓連接），實(shí)現(xiàn)假想柔性支腿，這種處理方式既降低了水平支反力，又可有效控制橫向位移。

主梁上部設(shè)有起升系統(tǒng)，可沿主梁上部軌道走行，實(shí)現(xiàn)箱梁橫移，整機(jī)行走通過下部走行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)參數(shù)如下：額定起重量為450 t，起升高度為30 m，跨度為35 m，工作級(jí)別為A3，額定起升速度為05 m· min-1，小車運(yùn)行速度為3 m·min-1，大車運(yùn)行速度為5 m·min-1。

2.2有限元模型的建立

建立有限元模型時(shí)，考慮到提梁機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)由不同厚度的鋼板焊成，再通過螺栓連接成為門架結(jié)構(gòu)，其單元類型單一，故采用beam188模擬主梁與支腿進(jìn)行分析。

模型建立過程中，在保證結(jié)構(gòu)模型能夠真實(shí)反映實(shí)際受力狀態(tài)的情況下，對(duì)一些局部進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

（1） 梯子、走臺(tái)、欄桿和司機(jī)室等對(duì)整體結(jié)構(gòu)無影響的部件予以省略，用Mass 21單元的形式將它們的質(zhì)量附加在模型上。

（2） 省略螺栓等連接件，將螺栓連接部位視為剛性連接。

（3） 主梁上部軌道具有一定的剛性，故建模時(shí)將軌道與主梁截面視為組合截面，采用同一單元。

（4） 用Mass 21單元的形式將起升系統(tǒng)和吊具的質(zhì)量施加在軌道上。

（5） 金屬結(jié)構(gòu)材料為Q345，其彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg·m-3，泊松比為0.3。

3結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1模態(tài)分析

利用ANSYS軟件對(duì)提梁機(jī)結(jié)構(gòu)的空間模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，模態(tài)提取方法選擇Block Lanczo法，得到結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)分析的固有頻率，如表1所示。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以理解為各階固有振型的線性組合，其中低階模態(tài)占主要地位，考慮結(jié)構(gòu)阻尼的作用，振動(dòng)響應(yīng)中的高階部分衰減也很快，故常對(duì)高階模態(tài)忽略不計(jì)，各階模態(tài)陣型如圖1所示。

（1） 提梁機(jī)采用剛性支腿和假想柔性支腿的門式結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的柔性較大，自振頻率略低，自振周期較大。

（2） 第1、4、6階固有振型反映了提梁機(jī)的橫向水平振動(dòng)，可由起重小車啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（3） 第2、5、9、10階固有振型反映了提梁機(jī)的縱向水平振動(dòng)，可由大車啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（4） 第3振型反映了提梁機(jī)沿走行軌道的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

（5） 第7、8階固有振型反映了提梁機(jī)的垂直振動(dòng)，可由起升機(jī)構(gòu)啟、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。

（6） 第4、6、7、9、10階固有振型反映了支腿可由提梁機(jī)水平擺動(dòng)激勵(lì)起振，柔性支腿更易激發(fā)。

（7）豎向自振頻率大于2 Hz，說明其動(dòng)態(tài)剛性滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

（8） 綜合以上振型圖分析，假想柔性支腿和主梁是提梁機(jī)振動(dòng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

（9） 前7階自振頻率的振動(dòng)均在水平方向，故應(yīng)注意提梁機(jī)水平方向激勵(lì)源引起的振動(dòng)。

4結(jié)語

建立合理的提梁機(jī)有限元模型，通過模態(tài)分析，可明確了解提梁機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，在選取電機(jī)轉(zhuǎn)速、大車及起重小車走行速度與車輪直徑、起重小車起升速度與卷筒直徑等參數(shù)時(shí)，盡量使其激勵(lì)的頻率遠(yuǎn)離固有頻率，從而避免共振造成的強(qiáng)度破壞或大變形影響提梁機(jī)的結(jié)構(gòu)性能。通過模態(tài)分析還可以為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳瑋璋，顧迪民.起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，1985.

[2]GB/T 3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]楊明亮，徐格寧，常爭艷，等.基于有限元法的橋式起重機(jī)橋架模態(tài)分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（1）：135137.

[4]王斌華，邵雨紅，呂彭民.基于ANSYS的450 t提梁機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011，28（6）：7477.

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[6]張會(huì)遠(yuǎn)，喬云強(qiáng).考慮塔吊影響的橋塔施工階段動(dòng)力特性分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007，24（6）：3840.

[7]戢平，郭燕.大型橋式起重機(jī)承軌梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2012，34（4）：460463.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint