卸船機(jī)抓斗起升動載產(chǎn)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

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卸船機(jī)抓斗起升動載產(chǎn)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(jī)在抓斗和物料提升時，抓斗及物料所產(chǎn)生動載通過鋼絲繩傳遞到卸船機(jī)前大梁上，從而對前大梁產(chǎn)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?jīng)_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(jié)果。

關(guān)鍵詞：卸船機(jī); 起升動載; 振動

抓斗卸船機(jī)是港口大型接卸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦石、煤炭等散料碼頭。抓斗卸船機(jī)工作過程為通過抓斗抓取船上的物料，隨小車運(yùn)行將物料卸到安裝在門架上的料斗里，隨后物料經(jīng)過給料系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)酱a頭的皮帶機(jī)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(lián)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(chǎn)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(nèi)的振動。由于結(jié)構(gòu)阻尼的存在，振動會逐漸衰減，最后趨于平穩(wěn)。以往對于卸船機(jī)結(jié)構(gòu)的分析，僅僅是在靜力范疇內(nèi)進(jìn)行，而沒有考慮動態(tài)響應(yīng)，這與卸船機(jī)實(shí)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(jìn)行分析，得到?jīng)_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(jié)果。

1瞬態(tài)動力學(xué)基本方程及方程求解

瞬態(tài)動力學(xué)分析的目的是求得在結(jié)構(gòu)承受隨時間變化的載荷時結(jié)構(gòu)發(fā)生的動態(tài)響應(yīng)。對于線性結(jié)構(gòu)，有瞬態(tài)動力學(xué)基本運(yùn)動方程[1]：

(1)

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

(2)

(3)

其中α，δ為積分參數(shù)。通過方程(1)可以得到時間tn+1時刻，系統(tǒng)的動力學(xué)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(dá)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(diǎn)的結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)。

在通過Ansys軟件利用Newmark方法求解瞬態(tài)動力學(xué)方程時，存在一個重要的參數(shù)設(shè)置：積分時間步長Δt：即載荷作用的2個時間點(diǎn)內(nèi)的時間增量。時間步長的大小對瞬態(tài)分析的精度有很大的影響，應(yīng)該足夠的小，本文中取每個循環(huán)中存在20個時間點(diǎn)，即：

(6)

式中，f為關(guān)注的結(jié)構(gòu)固有頻率中最高響應(yīng)頻率。

對于起升動載效應(yīng)，《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范(GB3811-2008)》中給出，當(dāng)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(xiàn)動載增大的作用，起升動力效應(yīng)用一個大于1的起升動載系數(shù)φ2乘以額定起升載荷PQ來考慮[2]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，起升動載系數(shù)φ2由如下公式求得：

起升狀態(tài)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(guī)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(shù)，假定卸船機(jī)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(jī)整體模型上進(jìn)行提升動載的影響分析，卸船機(jī)Ansys模型采用beam189單元建模，對于集中質(zhì)量采用mass21單元模擬。

2卸船機(jī)模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的動力特性，即得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等。通過卸船機(jī)整機(jī)模態(tài)分析，可以得到不同階數(shù)對應(yīng)的振型，表1中給出了卸船機(jī)前5階振動模態(tài)，并給出了每階模態(tài)對應(yīng)的卸船機(jī)振動形式，其中主要關(guān)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(jī)前五階振動模態(tài)列表

3卸船機(jī)起升動載瞬態(tài)分析

為了分析起升動載產(chǎn)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(tài)響應(yīng)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(jī)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(jī)靜力分析變形圖

圖3　滿載(考慮動載)卸船機(jī)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(jī)前大梁的豎向位移分別為160 mm和259 mm，其中前者為瞬態(tài)響應(yīng)動載效應(yīng)消失后卸船機(jī)受載對應(yīng)的變形，即為瞬態(tài)響應(yīng)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(jī)前大梁的振動；(b)相同的阻尼，不同的動載作用時間，卸船機(jī)前大梁的振動。在這兩種情況下，卸船機(jī)小車均位于最大外伸距。

情況(a)對應(yīng)的前大梁頭部豎向振動的瞬態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果見圖4。其中上圖對應(yīng)的阻尼γ=1，下圖對應(yīng)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(tài)分析得到的卸船機(jī)第5階振動對應(yīng)的周期。即在動載作用下，卸船機(jī)前大梁將以其固有頻率進(jìn)行振動。

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

(3)隨著阻尼的增加，卸船機(jī)前大梁的振動會加快衰減，如果阻尼太小，振動持續(xù)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(fā)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(jié)論

通過對卸船機(jī)起升動載進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，可以得到如下結(jié)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(dǎo)致振動衰減，阻尼越大，衰減越快。

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

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王新敏．ANSYS結(jié)構(gòu)動力分析與應(yīng)用[M]．北京：人民交通出版社，2014.

[2]國家質(zhì)檢總局．起重機(jī)設(shè)計規(guī)范 GB/T 3811[S]．中國標(biāo)準(zhǔn)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(xué)學(xué)報，2004(4)：1-3.

曾來軍： 200122, 上海市浦東新區(qū)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