150噸鑄造起重機主梁動力學特性分析

摘 要：本文來源于某煉鋼廠改造項目，對改造后鑄造起重機主梁進行模態分析，計算改造后主梁結構的固有頻率和相應振型，提取了前六階固有頻率，并對結果進行了分析，得出起重機主梁在受外界激勵作用時各階危險頻率下的變形情況。當外部激擾的頻率接近各階危險頻率值時，起重機主梁結構可能發生共振或產生較大振幅，對主梁動態剛度進行校核，滿足動態特性要求，對起重機的安全穩定運行及提高操作者的舒適性有重要意義。

關鍵詞：起重機；主梁；有限元；模態分析

中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A

1本課題的主要研究內容

本課題來源某煉鋼廠，該廠鑄造起重機主要工作是為轉爐、連鑄機生產進行鐵水、鋼水的吊運作業，隨著生產規模的不斷擴大，部分鑄造起重機的額定起重量已經不能滿足生產需要。同時，由于上述鑄造起重機工作環境惡劣，導致陸續出現了主梁內部勁板開裂、大車車輪啃軌道等現象，對安全生產也構成了威脅。因此根據現場實際情況，采用傳統方法對該起重機主梁進行了加固增容改造，此次改造，主要解決原吊車存在的設備缺陷，滿足安全生產的需要。本文則利用ANSYS有限元軟件對改造后起重機主梁進行了結構強度及動力學分析。利用有限元軟件對鑄造起重機主梁建立了完整的有限元模型。利用ANSYS有限元軟件對主梁進行模態分析，計算改造后主梁結構的固有頻率和相應振型，并對結果進行了分析，得出起重機主梁在受外界激勵作用時各階危險頻率下的變形情況，跟蹤起重機按此方案進行技術改造后的運行情況。

2起重機主梁的模態分析

模態分析是研究結構動力特性一種近代方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程即稱為模態分析。模態分析分為實驗模態分析和計算模態分析。實驗模態分析在結構生產以后才能執行，利用實驗模態分析法求解固有特性將需要進行大量實驗，且實驗周期長，投資大；計算模態分析可以在機械制造之前，也可以在機械制造之后進行，如果條件允許，把兩種模態分析結合起來，結果精度將進一步提高。本文計算模態分析將采用有限元分析法的方法。

本文利用ANSYS，對鑄造起重機主梁三維有限元模型進行了的模態分析，模態分析的目的，主要是為了校核起重機主梁動態剛度，避免結構由于起升、運行過程中發生共振或出現有害的振型；同時也為起重機的進一步動力響應分析以及人機工程要求、系統的結構優化等提供模態參數。

3模態分析過程

（1）建立有限元模型。

（2）設置模態分析類型

重新進入ANSYS求解器，GUI：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，設置分析類型為Modal.模態分析是線性分析，應優先選用線性單元。其他非線性選項如塑性和接觸單元即使定義了也會被忽略，并且在材料特性中應定義密度，因為模態分析要用到質量矩陣。

（3）設置分析選項

GUI：Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options，彈出Modal Analysis對話框，模態提取方法Block Lanzcos，本文中計算前6階模態，提取模態數設為6，模態擴展數設為6。

（4）模態分析[3]求解

GUI：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出Solve Current Load Step對話框，單擊OK，開始計算模態。求解完成后，在Note對話框出現Solution is done！求解完成后，單擊Main Menu>Finish，退出求解器。

（5）觀察模態固有頻率

GUI：Main Menu>General Postproc>Results Summary，觀察主梁模型固有頻率。

圖. 1 模型固有頻率值

Fig. 1 Inherent frequency of model

（6）讀入結果數據

GUI：Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set，計算結果讀入數據庫。

4.結果分析

（1）當外部激擾的頻率接近表中數值時，起重機主梁結構可能發生共振或產生較大振幅，因此可通過修改設計參數來改變整機振動的頻率范圍以降低振幅，提高操作者的舒適性。

（2）第一階固有振型反映了起重機主梁的縱橫向水平振動，是由大車起、制動等原因激勵起振動：第二階固有振型反映了起重機主梁的縱向水平振動，由小車起、制動等原因激勵起振動；第三階固有振型和第四階固有振型反映了起重機主梁的橫向水平擺動；第五階固有振型和第六階固有振型反映了起重機主梁的垂直振動，是由起升機構起、制動等原因激勵起振動。

（3）主梁動態剛度校核

根據起重機設計手冊規定，目前常采用的一種方法為：用卸載后起重機的自振周期計算，其控制的標準為：

起重機主梁在垂直方向的自振周期：

秒

本文起重機主梁在垂直方向的自振周期為：

秒0.3秒

起重機主梁在縱向水平方向的自振周期：

秒

本文中起重機主梁在水平方向的自振周期為：

秒0.85秒

故起重機主梁滿足動態特性要求。

結語

本文根據某煉鋼廠實際情況，結合鑄造起重機增容改造實際項目，運用有限元分析軟件ANSYS建立了起重機主梁有限元模型，進行了模態分析，驗證了改造方案的合理性，為鑄造起重機的增容改造提供了理論根據，技術指標完全符合150T鑄造吊車的要求。現已投入正常生產，提高了起重機的工作效率，增加了起重機的安全性。

本文在有限元建模的基礎上，充分考慮了起重機主梁結構在實際工作狀態中的載荷情況，可以得到如下結論：

利用ANSYS有限元軟件對鑄造起重機主梁進行模態分析，計算改造后主梁結構的固有頻率和相應振型，提取了前六階固有頻率，并對結果進行了分析，得出起重機主梁在受外界激勵作用時各階危險頻率下的變形情況。當外部激擾的頻率接近各階危險頻率值時，起重機主梁結構可能發生共振或產生較大振幅，對主梁動態剛度進行校核，滿足動態特性要求，對起重機的安全穩定運行及提高操作者的舒適性有重要意義。

參考文獻

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