橋式抓斗卸船機(jī)的振動(dòng)模態(tài)分析

(1.廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州 510180; 2.廣州港集團(tuán)新沙港務(wù)有限公司，廣東東莞 523147)

(1.廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州 510180; 2.廣州港集團(tuán)新沙港務(wù)有限公司，廣東東莞 523147)

橋式抓斗卸船機(jī)在工作時(shí)的振動(dòng)會(huì)引起前懸臂金屬結(jié)構(gòu)較大的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，模態(tài)分析能確定其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。采用有限元軟件ANSYS建立了卸船機(jī)前懸臂的動(dòng)態(tài)分析模型并進(jìn)行了模態(tài)分析。同時(shí)，利用隨機(jī)減量法對(duì)環(huán)境激勵(lì)下的實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)實(shí)測(cè)信號(hào)的分析結(jié)果與模型結(jié)果對(duì)比分析，證明了該建模方法的可行性，為快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行橋式抓斗卸船機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析提供了一種新的途徑。

橋式抓斗卸船機(jī);模態(tài)分析;振動(dòng)

0 前言

橋式抓斗卸船機(jī)(以下簡(jiǎn)稱卸船機(jī))是港口碼頭煤料卸船中不可或缺的裝卸機(jī)械，也是一種在運(yùn)行過(guò)程中存在較高風(fēng)險(xiǎn)的起重設(shè)備。卸船機(jī)在進(jìn)行卸船作業(yè)時(shí)，抓斗在卸船機(jī)前方的懸臂中前部取料，取料后，抓斗從船艙中起升的瞬間會(huì)對(duì)前懸臂產(chǎn)生較大的沖擊，同時(shí)，工作環(huán)境中的風(fēng)載、載荷上升和下降、及大、小車(chē)行走過(guò)程中軌道不平整導(dǎo)致的沖擊等都可能成為振動(dòng)源，引發(fā)卸船機(jī)前懸臂的沖擊響應(yīng)，當(dāng)這些振動(dòng)源的頻率與前懸臂的固有頻率接近時(shí)，就會(huì)增加振幅，振動(dòng)效應(yīng)的長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損、破壞，嚴(yán)重地影響了卸船機(jī)的工作性能，甚至發(fā)生安全事故。

某港口的一臺(tái)服役了近20年的卸船機(jī)，通過(guò)目視檢查發(fā)現(xiàn)整機(jī)存在較為嚴(yán)重的腐、銹蝕和部分承載結(jié)構(gòu)件的變形。金屬結(jié)構(gòu)件作為卸船機(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)，其安全性與可靠性是保障卸船機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，卸船機(jī)的使用壽命很大程度上取決于金屬結(jié)構(gòu)件的壽命［4］。利用大型通用有限元分析軟件ANSYS預(yù)先建立該卸船機(jī)的前懸臂結(jié)構(gòu)的有限元模型，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)參數(shù)，利用結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)的具體操作進(jìn)行優(yōu)化(確定結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)的懸掛位置、激勵(lì)位置和測(cè)量位置)，同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)，對(duì)卸船機(jī)的實(shí)際振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的模態(tài)與解析分析法的模態(tài)兩種結(jié)果差異性的對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的參數(shù)修正準(zhǔn)確有效。

1 模型的建立

橋式抓斗卸船機(jī)前懸臂為箱形梁，小車(chē)承重軌為偏軌梁設(shè)計(jì)，位于箱形梁上蓋板處，如圖1所示。

該卸船機(jī)額定卸船能力850 t/h;利用級(jí)別U8;工作級(jí)別A8級(jí);懸臂長(zhǎng)度27 m。主梁金屬骨架的材料特性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 待測(cè)樣機(jī)形貌Fig.1Appearance of the tested prototype

表1 主梁的材料特性參數(shù)Tab.1Material parameters of the main beam

通過(guò)對(duì)卸船機(jī)前懸臂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試分析得知，兩根懸臂梁的受力是對(duì)稱的，因此，可以在ANSYS中按對(duì)稱結(jié)構(gòu)考慮。單根主梁的相關(guān)尺寸見(jiàn)表2。

表2 具體的懸臂梁金屬結(jié)構(gòu)截面尺寸Tab.2Section size of cantilever beam structurem

采用有限元軟件ANSYS對(duì)懸臂梁建立的計(jì)算模型如圖2所示，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有些為非標(biāo)準(zhǔn)件，用ANSYS模擬其實(shí)際形狀非常困難，還有些結(jié)構(gòu)件對(duì)于該機(jī)的特性影響不大，所以在不影響計(jì)算精度的前提下對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)要做一些必要的簡(jiǎn)化。計(jì)算時(shí)，對(duì)簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量補(bǔ)償。其中，小車(chē)車(chē)輪基距為3.0 m，單輪載荷在懸臂梁上分布均勻，抓斗與小車(chē)重量簡(jiǎn)化為施加在懸臂梁上CTL=31.36 kN的力，用以計(jì)算梁的固有頻率。圖2中卸船機(jī)有限元模型關(guān)于主梁?jiǎn)卧哪M描述如下:

首先選擇單元類(lèi)型，卸船機(jī)的大多數(shù)結(jié)構(gòu)件在實(shí)際承載時(shí)主要承受軸向力，為了使建立的模型更加符合現(xiàn)實(shí)受力狀況，選用考慮彎曲、拉壓和扭轉(zhuǎn)剛度的空間梁?jiǎn)卧狟EAM188和集中質(zhì)量單元MASS21來(lái)對(duì)應(yīng)前懸臂在實(shí)際狀態(tài)下承受的扭矩、彎矩、剪力等內(nèi)力。

前懸臂與門(mén)架和拉桿的連接用節(jié)點(diǎn)耦合的方法模擬銷(xiāo)軸連接，這樣更趨于實(shí)際情況，拉桿與門(mén)架梯型梁的連接選用桿件單元連接。

在材料屬性上，選取設(shè)計(jì)圖紙中Q235的鋼材屬性，即密度7 781 kg/m3、泊松比0.3、彈性模量210 GPa。

圖2 卸船機(jī)有限元分析模型Fig.2FEA model of ship unloader

2 模態(tài)分析

在ANSYS中對(duì)卸船機(jī)的前懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析時(shí)，需要考慮其自重受力(在吊載情況下，還需要考慮小車(chē)車(chē)架與吊具的自重)和零位移約束。前懸臂與海側(cè)門(mén)架采用鉸接的連接方式，在模型中，耦合海側(cè)門(mén)架與前懸臂節(jié)點(diǎn)處的ROTX、ROTY、UX、UY、UZ五個(gè)自由度;前懸臂為可以繞Z軸(即沿軌道方向)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，該模型無(wú)論是從節(jié)點(diǎn)的約束能力，還是從結(jié)構(gòu)的受力來(lái)看，都與實(shí)際結(jié)構(gòu)非常接近。

卸船機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)為多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，高階固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響較小，低階固有頻率對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)貢獻(xiàn)較大，所以，提取了卸船機(jī)前懸臂的前3階模態(tài)即可較好地反映系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特性。各階模態(tài)振型見(jiàn)圖3～圖5，模態(tài)頻率見(jiàn)表3。

表3 各階模態(tài)頻率Tab.3Frequency of each mode

卸船機(jī)前懸臂結(jié)構(gòu)的1階振型是前懸臂在水平面內(nèi)繞固定點(diǎn)左右擺動(dòng)，振動(dòng)頻率為1.67 493 Hz。第2階振型反映了卸船機(jī)前懸臂繞固定點(diǎn)前后彎曲振動(dòng)，振動(dòng)頻率為4.17 712 Hz。第3階振型反映了前懸臂繞固定點(diǎn)上下彎曲振動(dòng)，振動(dòng)頻率為5.830 17 Hz。

為了驗(yàn)證模型分析的結(jié)果，依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)原理，采用工作模態(tài)分析儀實(shí)測(cè)了樣機(jī)在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。

基于在環(huán)境激勵(lì)下響應(yīng)數(shù)據(jù)的模態(tài)分析，必須考慮激勵(lì)源的影響，本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用在一定高度卸載額定載荷對(duì)前懸臂產(chǎn)生的沖擊作為激勵(lì)源，采集額定載荷在卸料中激發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的響應(yīng)信號(hào)，測(cè)試工況為:采集起吊前采集測(cè)試環(huán)境數(shù)據(jù)，起吊額定載荷至5 m高度，停留約3 min，直至起吊引起的振動(dòng)完全衰減后，迅速開(kāi)斗，直至卸料引起的振動(dòng)衰減完全后停止采集。對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)用隨機(jī)減量法進(jìn)行處理后，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)際信號(hào)的頻率分析Fig.6Frequency analysis of the tested signal

實(shí)際信號(hào)的分析中，對(duì)應(yīng)第1階、第2階、第3階模態(tài)的頻率分別為1.73 586 Hz、4.22 145 Hz、5.86 654 Hz。與模型分析結(jié)果比較見(jiàn)表4。

表4 模態(tài)結(jié)果比較Tab.4Comparison of the modal results

表4對(duì)比結(jié)果表明，建立的模型與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差值范圍滿足工程計(jì)算的誤差許可范圍，實(shí)測(cè)結(jié)果有效，說(shuō)明建立的模型較好地反映出結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的沖擊響應(yīng)。

3 結(jié)論

本文把有限元方法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)服役安全評(píng)估。通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)的具體操作進(jìn)行優(yōu)化(確定結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)的懸掛位置、激勵(lì)位置和測(cè)量位置)，反之，通過(guò)卸船機(jī)的實(shí)際振動(dòng)信號(hào)的測(cè)取和提取的試驗(yàn)?zāi)B(tài)值也能驗(yàn)證所建模型的有效性［3］。

在在役起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的模態(tài)與解析分析法的模態(tài)兩種結(jié)果差異性的對(duì)比，不僅對(duì)設(shè)備提供更準(zhǔn)確、有效、可靠的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果與模態(tài)數(shù)據(jù);還能為對(duì)振動(dòng)造成的金屬結(jié)構(gòu)疲勞損壞提供一些分析診斷方法，但本文中并未涉及這一點(diǎn)，也是文章的不足之處。

有限元模型的建立優(yōu)化了模態(tài)試驗(yàn)的具體操作，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析也驗(yàn)證了的模型的正確性，為后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行諧響應(yīng)分析、沖擊響應(yīng)分析、譜分析等更詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析以及結(jié)構(gòu)損傷判斷等做準(zhǔn)備［5］。

［1］夏擁軍，陸念力，羅冰.確定塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)低階振頻的實(shí)用方法［J］.工程機(jī)械，2005(4):34 -37.

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橋式抓斗卸船機(jī)的振動(dòng)模態(tài)分析

咼中樑1，謝超1，王新華1，齊凱1，方夢(mèng)庚2

Vibration modal analysis of bridge-type grab ship unloader

GUO Zhong-liang1，XIE Chao1，WANG Xi-hua1，QI Kai1，F(xiàn)ANG Meng-geng2
(1.Guangzhou Special Electrical Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou 510180，China; 2.Guangzhou Port Xinsha Stevedoring Co.，Ltd.，Dongguan 523147，China)

Bridge-type grab ship unloader produces vibration during working，that would caused larger dynamic effects of front cantilever metal structures，and the vibration characteristics of the structure is determined with modal analysis.A dynamic analysis model of grab ship unloader front cantilever is built in ANSYS，and carry out modal analysis.The random decrement technique is used for date processing to test signal under ambient excitation.In comparison with analysis and simulation results of the test signal，it proves that the scheme is feasible，and provides a new approach for quickly and accurate dynamic analysis of bridge-type grab ship unloader structure.

bridge-type grab ship unloader;modal analysis;vibration

TP212

A

1001-196X(2014)05-0047-04

2014-02-20;

2014-03-12

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011QK323)

咼中樑(1986-)，男，湖北荊州人，碩士，主要從事起重機(jī)安全評(píng)估技術(shù)研究。