橋式起重機主梁的靜動態虛擬檢測方法

楊天雪 張國智

（1.福建省特種設備檢驗研究院 福州 350008）

（2.新鄉學院機電工程學院 新鄉 453000）

近年來關于起重機的仿真計算、控制技術、設計方法、檢測方法等相關技術方面取得了一定的研究成果，如：基于ABAQUS 的橋式起重機箱形主梁模態分析[1]；基于模糊自適應PID 控制器的橋式起重機定位與防擺控制研究[2]；橋式起重機的模塊化配置設計研究[3]；橋式起重機大小車軌道啃軌的檢測研究[4]和基于粗糙集和混沌粒子群算法的橋式起重機故障診斷研究[5]。但是，起重機結構復雜，仿真計算難度大，要想直接將仿真技術與檢測技術對接，在計算精度和計算效率上必須得到大幅度提高，但目前就此方面的研究還不夠深入、系統。因而，本文據此針對橋式起重機，以ANSYS 軟件為工具，并結合參數化分析建模技術，對起重機主梁的靜態和動態進行了有限元分析，并基于計算結果提出了其靜態和動態的虛擬檢測方法，可實現對相似結構的橋式起重機主梁的虛擬檢測，通過本文的研究對橋式起重機的主梁的檢測方法具有重要的研究意義及工程應用價值。

1 基于虛擬樣機的起重機械虛擬檢測方法

起重機在受載不同的各種工況中危險區域不同，尤其起重機的工作工況非常復雜，因而，在測試檢測中必須預先對測試區域有所估計，才能有效地布置傳感器，從而進行起重機的檢測，本文基于有限元數值仿真建立起重機的各種工況的虛擬樣機，通過對有限元分析計算結果的統計分析對檢測區域進行分析，進而為實際檢測提供指導措施，提高檢測效率和檢測精度。具體的基于虛擬樣機的起重機械虛擬檢測方法的基本思路如圖1 所示。

圖1 基于虛擬樣機的起重機械虛擬檢測方法的基本思路

2 主梁的靜動態有限元分析及驗證

計算主梁在承受滿載小車時最大靜輪壓載荷時的剛度和強度，最大輪壓為35.25KN，為了減小局部應力集中效應，根據圣維南原理，載荷是按照均布載荷施加的，小車輪距為1.4m，單元選擇Shell63 彈性板殼單元，材料為線彈性材料，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。主梁為一端固定約束，一端滾動約束，跨度為10.5 ～31.5m 的主梁的有限元模型如圖2 所示，不同跨度主梁的計算時總的單元和節點數見表1。

圖2 主梁的有限元模型

表1 10.5 ～31.5m 跨度主梁的計算時單元和節點數

跨度為10.5 ～31.5m 的主梁的實測和計算的最大撓度與跨度曲線如圖3 所示，從圖3 中可見，曲線總的趨勢是隨著跨度的增加，撓度逐漸增大，但在跨度S=16.5m 時，撓度變化較大，主要原因是因為在施加載荷附近整體剛度較差，因而變化幅度較大，從而使曲線在13.5 ～19.5m 范圍變化不平緩。實測結果與計算結果最大相對誤差為13.4%，實測結果與計算結果最小相對誤差為2.6%，由此驗證了有限元計算結果的準確性。

跨度為10.5 ～31.5m 的主梁的動力學分析的有限元模型和其靜態分析相同，去掉輪壓載荷，對其在0 ～10000Hz 范圍內的前12 階模態進行分析，得到其振形和各階的振動頻率。

圖3 跨度為10.5 ～31.5m 的主梁實測和計算的最大撓度與跨度曲線

跨度為10.5～31.5m 的主梁的前12 階模態分布曲線如圖4 所示，從圖4中可見，隨著跨度的增加，由于質量的增加，跨度為31.5 的前12 階頻率是8 根主梁中最低的，而且，跨度S=16.5m 和S=19.5m 的曲線的變化趨勢比較類似，而其他6 根主梁的曲線變化趨勢比較類似，根據理論分析可知，隨著質量的增加,物體的模態頻率降低，由此驗證了有限元計算結果的準確性。此外，跨度S=10.5m 的主梁的12 階頻率為51.4Hz，因為交流電工作頻率為50Hz，所以該主梁如果單根工作時最有可能產生振顫，也就是說該梁結構尺寸一定不能作為單梁工作起重機的主梁設計參數。

圖4 跨度為10.5 ～31.5m 的主梁的前12 階模態分布曲線

3 靜動態檢測區域的確定、檢測布點方法

根據主梁的有限元靜態的剛度和強度計算結果，可知變形以及應力較大區域均集中在施加載荷的附近區域，該區域變形分布和應力分布均較為復雜，因而，在進行主梁靜態強度和剛度檢測時，應在該區域布置較多的檢測點，檢測點具體分布可參照變形和應力分布特點進行布置，這樣才能較準確的測量出主梁的靜態強度和剛度。

根據主梁的前12 階模態計算結果，根據振形變化，為了測得準確的振動情況，應該在振形中振動幅度最大區域布置檢測點，檢測點的具體分布可參照振形計算結果。

4 結論

通過文中的研究得到以下結論：

1) 基于有限元數值仿真建立了橋式起重機主梁的各種工況的虛擬樣機，通過對有限元分析計算結果的統計分析提出了基于虛擬樣機的起重機械虛擬檢測方法。

2) 通過主梁的靜態的有限元分析結果的統計分析，在進行主梁靜態強度和剛度檢測時，應在施加載荷的附近區域布置較多的檢測點，檢測點具體分布可參照變形和應力分布特點進行布置。

3) 通過主梁的前12 階模態的有限元分析結果的統計分析，為了測得準確的振動情況，應該在振形中振動幅度最大區域布置檢測點，檢測點的具體分布可參照振形的有限元計算結果。

[1] 王玲娟，張麗.基于ABAQUS 的橋式起重機箱形主梁模態分析[J]. 煤礦機械,2011,(07):86-88.

[2] 杜文正，童國林，強寶民,等.基于模糊自適應PID 控制器的橋式起重機定位與防擺控制研究[J].制造業自動化,2012,(22):8-11.

[3] 李彬，王宗彥，秦慧斌.橋式起重機的模塊化配置設計研究[J].機械設計與制造,2013,(02): 257-259.