某港裝船機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析及修復(fù)方案

孔祥順

武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

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某港裝船機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析及修復(fù)方案

孔祥順

武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

以某港裝船機(jī)振動(dòng)異常部位為主要研究對(duì)象，對(duì)裝船機(jī)具體部位振動(dòng)異常的原因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的修復(fù)設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)某港裝船機(jī)的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，從操作和管理方面給出對(duì)策建議。

裝船機(jī)； 后伸臂； 振動(dòng)； 設(shè)備管理

1　前言

裝船機(jī)是用于散貨碼頭裝船時(shí)使用的大型散料機(jī)械。隨著現(xiàn)代海洋運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展， 裝船機(jī)作為散貨碼頭的重要裝船和輸送設(shè)備，其性能優(yōu)劣將對(duì)整個(gè)散貨運(yùn)輸?shù)墓に囅到y(tǒng)及生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大影響。裝船機(jī)主要包括主體結(jié)構(gòu)及尾車(chē)兩部分，主體結(jié)構(gòu)直接與貨船關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)貨物從岸邊到貨船上的裝船作業(yè)，尾車(chē)部分則關(guān)聯(lián)岸邊貨物與裝船機(jī)主體結(jié)構(gòu)部分，通過(guò)尾車(chē)中的帶式輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)貨物從取料機(jī)械到裝船機(jī)主機(jī)之間的傳輸作業(yè)。裝船機(jī)取料時(shí)本身所受到的外力載荷并不是很大，主要是受到靜態(tài)均布載荷，而振動(dòng)主要是來(lái)源于皮帶驅(qū)動(dòng)及裝船機(jī)的支腿受力不均。

某港裝船機(jī)總體設(shè)計(jì)上是根據(jù)水位、船型、碼頭軌道高度、軌距、碼頭皮帶機(jī)的高度、位置、車(chē)輛通過(guò)凈空等來(lái)綜合考慮的。由于裝船的船型變化較大，為了作業(yè)時(shí)盡可能減少大車(chē)的行走動(dòng)作，本裝船機(jī)采用了臂架伸縮機(jī)構(gòu)，以便在大車(chē)不動(dòng)的情況下卸料點(diǎn)盡可能覆蓋整個(gè)艙口。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)也給設(shè)備本身的維護(hù)帶來(lái)了便利。另外，為盡可能減輕設(shè)備重量，外臂架采用了桁架結(jié)構(gòu)。

某港裝船機(jī)承受載荷的特點(diǎn)為連續(xù)、重載、交變，其承受載荷大多來(lái)自于自重載荷。其載荷類(lèi)型主要為均布載荷和集中載荷，根據(jù)裝船機(jī)各部位具體結(jié)構(gòu)分析，裝船機(jī)上的皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)對(duì)裝船機(jī)本身施加集中載荷，受集中載荷的部位很可能會(huì)導(dǎo)致其局部結(jié)構(gòu)剛度不足，進(jìn)而導(dǎo)致其振動(dòng)異常[1-2]。

2　故障現(xiàn)象

某港裝船機(jī)主臂俯仰運(yùn)行時(shí)，觀測(cè)到司機(jī)室和皮帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及下方的后伸臂鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈。針對(duì)此情況，對(duì)此裝船機(jī)進(jìn)行了各個(gè)方面的檢測(cè)，在靜態(tài)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)應(yīng)力、金屬結(jié)構(gòu)裂紋、焊縫以及其他零部件檢測(cè)中均未發(fā)現(xiàn)異常情況。另外，在裝船機(jī)的3個(gè)位置進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)量。本測(cè)量檢測(cè)主臂俯仰過(guò)程中各部位的振動(dòng)加速度和振動(dòng)頻率，以便了解各部位的振動(dòng)強(qiáng)度，確定振動(dòng)頻率。根據(jù)采集到的時(shí)域信號(hào)圖可以確定其為噪聲信號(hào)，即在此信號(hào)圖中很難得出有用的信息，故我們將其進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得出信號(hào)的頻譜函數(shù)圖像[3]。根據(jù)所得的3個(gè)測(cè)點(diǎn)8個(gè)方向的頻域信號(hào)圖，發(fā)現(xiàn)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)殼和皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)下方的工字梁兩個(gè)測(cè)點(diǎn)Z軸方向的最大能量的振動(dòng)信號(hào)頻率均為473.1 Hz，由此得出皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)殼和皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)下方的工字梁在Z軸方向存在共振現(xiàn)象。另外，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)下方的工字梁本身并不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，那么可以確定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是裝船機(jī)的一個(gè)較大的振源，裝船機(jī)后伸臂受到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)本身的重力和驅(qū)動(dòng)皮帶產(chǎn)生的張力。由此可知，很可能由于裝船機(jī)后伸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的一些缺陷導(dǎo)致其振動(dòng)過(guò)大。

3　原因分析

某港裝船機(jī)的后伸臂結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，此鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)由兩條主梁以及兩條次梁等組成。在主梁和次梁上鋪著一層面板。在此鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，布置著卷筒、皮帶機(jī)、減速器、制動(dòng)器和電機(jī)等結(jié)構(gòu)，卷筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量由兩個(gè)螺栓座承載，故整個(gè)卷筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量便在兩個(gè)螺栓座位置的中心，即剛好在主梁結(jié)構(gòu)上，而皮帶機(jī)在皮帶傳動(dòng)方向的張力也會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。此外，平臺(tái)上的制動(dòng)器也會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力矩。副梁的布置主要考慮鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的受力情況，在受力相對(duì)較大的部分即皮帶驅(qū)動(dòng)的位置布置了一條次梁。考慮到整體結(jié)構(gòu)布置的合理性，在平臺(tái)的另外一端也附加布置了一條次梁。在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的周邊還布置了一些角鋼以及走道、欄桿、格柵等結(jié)構(gòu)，便于工作人員在其上進(jìn)行工作。從整體上來(lái)看，此后伸臂鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)可以簡(jiǎn)化為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上施加著皮帶驅(qū)動(dòng)的重力以及皮帶在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的張力，通過(guò)這樣的工況簡(jiǎn)化便可更好地分析后伸臂結(jié)構(gòu)。

針對(duì)簡(jiǎn)化工況利用ANSYS軟件進(jìn)行分析。工字型截面主梁的翼緣板截面尺寸為280 mm×10 mm，腹板尺寸為450 mm×10 mm，懸臂梁的長(zhǎng)度為4.3 m，在距離懸臂自由端1 m處施加垂直向下的力以及與懸臂端方向相反的力，進(jìn)而對(duì)此進(jìn)行求解。由ANSYS受力計(jì)算結(jié)果可知，此懸臂梁的應(yīng)力值明顯超出正常范圍，需要考慮采取相應(yīng)的措施增強(qiáng)其剛度[4]。

在類(lèi)似工作狀況下，有幾種增強(qiáng)懸臂梁結(jié)構(gòu)的剛度的方法。

(1)對(duì)懸臂梁的截面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 此種方法又可分為兩種情況，一種是對(duì)工字形截面梁的腹板形狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，即可考慮使用工字鋼加圓管形狀的截面梁；另一種是對(duì)截面梁的整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加粗。不過(guò)，結(jié)合某港裝船機(jī)后伸臂具體案例，如果采用改變主梁截面形狀的方法，則意味著要將整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)重新改造，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可操作性較差[5]。

(2)對(duì)懸臂梁添加斜支撐梁或斜拉梁。這種方法是應(yīng)對(duì)此類(lèi)問(wèn)題最常規(guī)的做法，但是此方法也有一個(gè)明顯的缺陷，即對(duì)長(zhǎng)度很長(zhǎng)的懸臂梁效果不是很明顯，且耗費(fèi)大量材料成本和施工成本。

(3)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)下方增加彈簧或緩沖墊。根據(jù)設(shè)備的安裝情況，發(fā)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)下方增加緩沖裝置非常困難，安全性也也得不到保障。并且，如果添加了緩沖墊，很可能會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)對(duì)中性下降，導(dǎo)致另外一個(gè)方向出現(xiàn)過(guò)大振動(dòng)，故此種方案也不適合用于本課題。

綜合上述幾種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的方法，結(jié)合工程實(shí)際狀況，決定在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)下方添加斜支撐梁。在實(shí)際工程中，在條件允許的情況下，要盡量減小斜支撐的截面，同時(shí)增加斜支撐的數(shù)量，這樣在增加結(jié)構(gòu)相同的抗側(cè)剛度時(shí)其經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。故選擇在兩條主梁下方分別添加一條斜支撐梁，兩條斜支撐梁位置相互平行。斜支撐梁為箱型截面梁，翼緣板的截面尺寸為300 mm×8 mm，腹板的截面尺寸也為300 mm×8 mm。焊接部位確定為懸臂梁固定端下方約1.8 m處和距離懸臂梁自由端約1 m處主梁下方，以達(dá)到增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)剛度、減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。

4　修復(fù)方案

修復(fù)方案為：在立柱上預(yù)計(jì)焊接位置焊接一塊厚度為16 mm的連接板(700 mm×500 mm)，對(duì)此連接板采用圍焊和塞焊相結(jié)合的方法，即采用圍焊的方法將支撐梁焊接在連接板上。在主梁下方焊接箱型支撐梁也采用類(lèi)似的方法，連接板尺寸為1100 mm×500 mm，由于焊接部位相對(duì)特殊，需要采用仰焊的方法，施焊難度相對(duì)較大。焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊，此種焊法能夠有效減少焊接變形。另外，對(duì)新的焊縫要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，保證焊縫質(zhì)量。

針對(duì)擬定的修復(fù)方案，利用ANSYS軟件對(duì)修復(fù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)修復(fù)方案中相應(yīng)的設(shè)計(jì)尺寸添加一條箱形截面斜支撐梁，模擬結(jié)果證明添加箱型截面斜支撐梁的修復(fù)方案是合理的。

5　設(shè)備管理對(duì)策

針對(duì)某港裝船機(jī)結(jié)構(gòu)缺陷這一具體案例，從設(shè)計(jì)計(jì)算的角度對(duì)其提出相應(yīng)的設(shè)備管理對(duì)策。

在設(shè)計(jì)前，需要確定用戶(hù)需求，在總體上了解設(shè)計(jì)內(nèi)容的可行性與經(jīng)濟(jì)性；在規(guī)劃與初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)所要設(shè)計(jì)的設(shè)備進(jìn)行市場(chǎng)分析以及可行性研究，同時(shí)明確用戶(hù)的使用要求和設(shè)備的維修性、相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和后勤計(jì)劃；進(jìn)入正式的初始設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行分析、優(yōu)化以及綜合，并且要對(duì)其進(jìn)行必要的技術(shù)設(shè)計(jì)、后勤分析及預(yù)測(cè)，最后需要用戶(hù)對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)；到了細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及評(píng)審，最終還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)與鑒定。在用戶(hù)審查過(guò)程中，設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)和相應(yīng)的圖紙需要讓用戶(hù)來(lái)進(jìn)行審閱；最后進(jìn)行第三方驗(yàn)收。從計(jì)算方面來(lái)預(yù)防和控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷， 避免荷載計(jì)算的錯(cuò)誤，如果忽略一些不可簡(jiǎn)化的受力情況，譬如將皮帶產(chǎn)生的張力略去，就很可能導(dǎo)致最后設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)剛度不夠；材料的泊松比等參數(shù)要合理估計(jì)，不能盲目根據(jù)經(jīng)驗(yàn)隨意擬定數(shù)值計(jì)算。

6　 結(jié)語(yǔ)

在結(jié)構(gòu)缺陷分析方面，對(duì)后伸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，其他結(jié)構(gòu)也有類(lèi)似的可能導(dǎo)致裝船機(jī)運(yùn)行不良的問(wèn)題，比如平衡梁結(jié)構(gòu)、伸縮臂外桁架構(gòu)件腹桿等也存在著剛性不足的問(wèn)題，也需要采取相關(guān)方法進(jìn)行加強(qiáng)。

[1]李曉軍，裝船機(jī)的布置與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J]. 重工與起重技術(shù)，2015(4)，18-19.

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[4]魏恒州. 國(guó)外散糧裝船機(jī)及裝船碼頭工藝布置[J]. 港口裝卸,1995,01:31-34.

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Structural Vibration Analysis of the Ship Loader and its Repair Plan

Kong Xiangshun

School of Logistics Engineering of Wuhan University of Technology

Aiming at study of the abnormal vibration part of the ship loader in a port, the specific causes of abnormal vibration has been examined. Based on the qualitative analysis, the corresponding repair plan has been devised. From the structural and loading characteristics of the ship loader, the detailed strategy and suggestion are put forward from the view of the operation and management.

ship loader; rear outrigger; vibration; equipment maintenance

2016-07-07

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.016

孔祥順： 430063, 武漢市武昌區(qū)和平大道1178號(hào)