門座起重機臂架系統可靠性分析

邱旭東　張彬彬

摘 要：本文對門座起重機臂架系統的構件進行有限元分析，并在此基礎上對該型號起重機進行故障影響分析。

關鍵詞： 門座起重機；臂架系統；可靠性分析

在一些港口和船舶制造廠里面，往往要用到一種非常常見的器械，那就是門座起重機，在港口和船舶制造廠里這種設備是必不可少的，在很多地方都要用到它，利用門座起重機來對一些重物進行搬運工作。根據起重臂的形式不同，可以將門座起重機分為兩種，一種是四連桿組合臂架式，另一種是單臂架式。很多門座起重機在實際的工作中，大多都服役了多年，一些主要的部件出現了腐蝕現象，這導致了某些部位的材質變薄，使得門座起重機的可靠性降低。本文研究的門座起重機是組合臂架式的，這種結構臂架下面的空間比較大，在同樣的起升高度要求下，這種起重機的形式可以用較低的高度來實現同樣的功能，但是這樣就使得結構變得復雜，自身的重量也比較大。

四連桿組合臂架由幾種結構組成四連桿機構，這些桿件分別是象鼻梁，扒桿，剛性拉桿等，利用這種結構，可以實現水平方向的移動，從而可以搬運一些需要水平移動的重物。對于門座起重機來說，如果是組合臂架系統的話，它也是由扒桿、象鼻梁、剛性拉桿這幾部分組成，這幾個構件與人字架共同組成一種四桿機構，因此，就將其稱為四連桿組合臂架系統。

1.有限元計算及結果分析

門座起重機臂架系統的每個構件在整體的運作中都要發揮作用，要對各個部分作出分析需要進行大量的計算，本文中僅以象鼻梁為例進行分析，其他部件的分析過程與象鼻梁大致相同。象鼻梁的結構比較簡單，由角鋼、扁鋼、墊圈、鉚釘等部件構成，它關于縱向的截面對稱，這種對稱性可以為計算帶來一定的便利，只需要對其一半進行分析就可以了。

1.1象鼻梁建模

象鼻梁結構呈對稱分布，因此只取其對稱的一半進行研究，在某些位置施加位移約束，為了保證計算的精度要求，在對象鼻梁進行單元劃分的時候，主要采取四節點等參薄殼單元，另外在某些特殊的部位采用了三個節點，劃分單元的時候，單元的長度是四十毫米，某些局部進行了細化，最后劃分完單元之后，總共有節點七萬個，單元65002個。象鼻梁的有限元模型如下圖所示。

1.2載荷及載荷組合

象鼻梁受到的載荷主要可以分為以下幾種：

（1）象鼻梁結構和其所包含的部件的自重，為了使計算簡便，認為自重是均勻分布在主梁上的；

（2）在進行起吊工作時，還收到吊具本身的重量和重物的重量，我們在計算的時候，取臂架最大幅度的位置進行，這種情況下可以最大吊起50噸的重量；

（3）在升起和制動的時候，由于垂直慣性力的作用，也使得象鼻梁受到載荷，這與起升的速度、系統的剛度等有關。

（4）剛性拉桿的自重；

（5）所吊物體的水平慣性力。門座起重機變幅制動和旋轉制動時， 懸吊物品會出現擺動， 從而使起升繩相對鉛垂線偏擺一定的角度， 從而引起附加的水平力.該力通常用起升鋼絲繩的偏擺角計算。

1.3計算工況

根據起重機運行特點， 通常考慮以下幾種工況：

第一種工況：自重作用下象鼻梁強度， 此時作用載荷只有自重；

第二種工況：起升機構起動， 物品突然離地、其它機構均不工作， 此時， 計及Ⅱ 類載荷最大動力系數φ′2 （本文取φ′2 =1.3）， 此時同時作用的載荷全部在臂架擺動平面內；

第三種工況：起重機帶載正常運行， 起升機構、變幅機構同時制動.即計及起升機構正常制動造成的動力系數φ2 （本文取φ2 =1.25）， 吊物以工作狀態下最大偏擺角αmax內偏， 此時同時作用的載荷全部在臂架擺動平面內；

第四種工況：起重機處于帶載正常運轉狀態， 起升機構、旋轉機構同時制動.即計及起升機構正常制動引起的動力系數φ2 （本文取φ2 =1.25）以及象鼻梁自重引起的切向慣性力；物品以工作狀態下最大偏擺角αⅡ 沿垂直臂架方向偏擺.此時同時作用的載荷在臂架擺動平面內。

2.門座起重機故障影響分析

故障模式與影響分析常記做FEMA， 它是用來確定故障原因的一種方法， 它通過找出系統的潛在故障對系統的影響， 使產品更為完善， 從而提高其可靠度.這種方法可以用于從系統到零件部件的任何一個層次.FMECA（危害度分析）比FEMA更進一步， 它用來分析判斷這種影響的危害度有多大.FMECA不僅用歸納方法對系統的可靠性或者安全性做了定性分析， 而且還給出了近似的定量分析方法.它可以幫助設計人員深入了解系統的故障模式、影響及危害的程度， 從而采取措施修改設計減少其危害.

采用FMECA方法對臂架系統進行定量分析時各參數取值及具體結果詳見下表。

3.結語

本文分析表明該起重機在使用過程中存在著一定的安全隱患，為了避免事故的發生，可以根據有限元分析計算結果和故障影響分析結論，對起重機的關鍵部位進行定期檢查，針對不同的問題，采取相應的策略及時修復，以保障安全生產。

參考文獻：

[1]“M10—33門座起重機四連桿臂架系統的動力學研究──剛柔耦合多體機械動力學建模”在武漢通過技術鑒定[J].武漢交通科技大學學報，1995，03：320.