卸船機抓斗起升動載產生的前大梁振動分析

曾來軍　陳　振

華電重工股份有限公司上海分公司

?

卸船機抓斗起升動載產生的前大梁振動分析

曾來軍陳振

華電重工股份有限公司上海分公司

摘要：卸船機在抓斗和物料提升時，抓斗及物料所產生動載通過鋼絲繩傳遞到卸船機前大梁上，從而對前大梁產生沖擊，造成前大梁的振動。通過Ansys分析軟件模擬這一過程，得到沖擊后大梁的振動曲線，得到了大梁的振動幅值及振動頻率等結果。

關鍵詞：卸船機; 起升動載; 振動

抓斗卸船機是港口大型接卸設備，廣泛應用于礦石、煤炭等散料碼頭。抓斗卸船機工作過程為通過抓斗抓取船上的物料，隨小車運行將物料卸到安裝在門架上的料斗里，隨后物料經過給料系統運輸到碼頭的皮帶機上。

在抓斗抓取物料時，抓斗和物料是通過柔性很大的鋼絲繩聯系到前大梁上；而前大梁懸臂很長，在物料提升的瞬間，抓斗和物料會產生很大的沖擊動載，通過鋼絲繩傳遞給前大梁，這種沖擊會造成前大梁在短時間內的振動。由于結構阻尼的存在，振動會逐漸衰減，最后趨于平穩。以往對于卸船機結構的分析，僅僅是在靜力范疇內進行，而沒有考慮動態響應，這與卸船機實際工作情況并不一致。本文通過Ansys軟件對抓斗和物料提升瞬間起升動載對前大梁振動的影響，以及前大梁在沖擊瞬間的變形和振動情況進行分析，得到沖擊后大梁的振動曲線，得到了大梁的振動幅值及振動頻率等結果。

1瞬態動力學基本方程及方程求解

瞬態動力學分析的目的是求得在結構承受隨時間變化的載荷時結構發生的動態響應。對于線性結構，有瞬態動力學基本運動方程[1]：

(1)

在Ansys軟件里，比較常用的求解瞬態動力學方程的方法是通過Newmark時間積分方法，在離散的時間點上求解這些方程。在一個時間間隔內有：

(2)

(3)

其中α，δ為積分參數。通過方程(1)可以得到時間tn+1時刻，系統的動力學控制方程：

(4)

將方程(2)(3)整理后帶入方程(4)可以得到tn+1時刻的位移表達式：

(5)

其中：a0=1/(αΔt2),a1=δ/(αΔt),a2=1/(αΔt),a3=1/(2α)-1,a4=δ/ α-1,a5=0.5Δt(δ/α-2)

假定已知初始速度和位移，即可通過方程(5)差分得到下一時刻的位移和速度，最終得到不同時間點的結構的動力學響應。

在通過Ansys軟件利用Newmark方法求解瞬態動力學方程時，存在一個重要的參數設置：積分時間步長Δt：即載荷作用的2個時間點內的時間增量。時間步長的大小對瞬態分析的精度有很大的影響，應該足夠的小，本文中取每個循環中存在20個時間點，即：

(6)

式中，f為關注的結構固有頻率中最高響應頻率。

對于起升動載效應，《起重機設計規范(GB3811-2008)》中給出，當物品無約束地起升離開地面時，物品的慣性力將會使起升載荷出現動載增大的作用，起升動力效應用一個大于1的起升動載系數φ2乘以額定起升載荷PQ來考慮[2]。根據文獻[2]，起升動載系數φ2由如下公式求得：

起升狀態級別選擇有中度沖擊的HC3，φ2min=1.15，β2=0.51，Vq=2.67 m/s。按照規范要求，取φ2=2.2。額定起升載荷PQ為抓斗自重及抓斗能夠抓取的最大物料重之和，本文中PQ=43 t。

方程(1)中的動載荷{F(t)}為時間的函數，假定卸船機在抓斗和物料提升瞬間，動載的變化過程為t=0時開始提升物料，0

圖1　碰撞載荷示意圖

本文在卸船機整體模型上進行提升動載的影響分析，卸船機Ansys模型采用beam189單元建模，對于集中質量采用mass21單元模擬。

2卸船機模態分析

模態分析用于確定結構的動力特性，即得到結構的自振頻率和振型等。通過卸船機整機模態分析，可以得到不同階數對應的振型，表1中給出了卸船機前5階振動模態，并給出了每階模態對應的卸船機振動形式，其中主要關心的是抓斗起升方向即Y向的振動形式即第5階振動，振動頻率為1.69。

表1　卸船機前五階振動模態列表

3卸船機起升動載瞬態分析

為了分析起升動載產生的影響，需要知道前大梁振動的平衡位置，即靜力分析得到的前大梁的位置。為了和瞬態響應分析得到的前大梁變形情況比較，分別給出了考慮動載和不考慮動載時的卸船機前大梁的豎向變形圖，見圖2和圖3。

圖2　滿載(不考慮動載)卸船機靜力分析變形圖

圖3　滿載(考慮動載)卸船機靜力分析變形圖

通過圖2和圖3可以得到，考慮動載和不考慮動載情況下，卸船機前大梁的豎向位移分別為160 mm和259 mm，其中前者為瞬態響應動載效應消失后卸船機受載對應的變形，即為瞬態響應最終的振動平衡位置。

在不知道哪些因素會影響起升動載對前大梁振動的影響的情況下，分別研究了：(a)相同的動載作用時間不同的阻尼情況，卸船機前大梁的振動；(b)相同的阻尼，不同的動載作用時間，卸船機前大梁的振動。在這兩種情況下，卸船機小車均位于最大外伸距。

情況(a)對應的前大梁頭部豎向振動的瞬態響應分析結果見圖4。其中上圖對應的阻尼γ=1，下圖對應的阻尼γ=2,2種情況的動載作用時間t1=2 s。

圖4　動載作用2 s,前大梁振動曲線

(1)動載會造成前大梁的振動，且振動周期為0.6 s，等于模態分析得到的卸船機第5階振動對應的周期。即在動載作用下，卸船機前大梁將以其固有頻率進行振動。

(2)卸船機抓斗和物料在提升的瞬間，卸船機前大梁會在很短的時間內向下變形，且變形量為280 mm超過靜力分析得到的變形結果，即動載作用造成了前大梁豎向位移的放大，靜態分析存在缺陷。

(3)隨著阻尼的增加，卸船機前大梁的振動會加快衰減，如果阻尼太小，振動持續的時間會很長。

對于情況(b)，計算了動載作用t1=1 s，阻尼分別為γ=1和γ=2兩種不同形式，得到的前大梁振動曲線見圖5。從圖中可以看出，動載消失后，前大梁頭部將微弱的振動然后衰減。主要是由于動載小，時間短，無法激發前大梁的大振幅振動。

圖5　動載作用1 s，前大梁振動曲線

4結論

通過對卸船機起升動載進行瞬態響應分析，可以得到如下結論：

(1)隨時間變化的動載會造成前大梁的振動，阻尼的存在會導致振動衰減，阻尼越大，衰減越快。

(2)瞬態分析得到的前大梁的變形比靜態分析得到的變形值大，靜態分析存在一定的缺陷。

參 考 文 獻

[1]王新敏．ANSYS結構動力分析與應用[M]．北京：人民交通出版社，2014.

[2]國家質檢總局．起重機設計規范 GB/T 3811[S]．中國標準出版社，2008.

[3]張仕海，朱建元，胡雄.集裝箱橋吊前大梁振動的時間序列分析與故障診斷[J]．上海海事大學學報，2004(4)：1-3.

曾來軍： 200122, 上海市浦東新區福山路458號同盛大廈21層

Vibration Analysis of the Ship Unloader′s Frame Leg Caused by the Dynamic Load when Lifting the Grab

Huadian Heavy Industries CO.,Ltd. Shanghai BranchZeng LaijunChenZhen

Abstract:When ship unloader hoists grab and cargo, dynamic load will transmit to frame leg through wirerope, then frame leg will vibrates by load shock. In this paper, this process is simulated by Ansys, then the vibration curve of frame leg caused dynamic load is obtained. Finally, the amplitude and frequency of frame leg are shown.

Key word:ship unloader; dynamic lifting load; vibration

收稿日期：2015-07-08

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.003