桁架門式起重機晃動的問題分析與結構改造

李 方

桁架門式起重機晃動的問題分析與結構改造

李 方

（河南省特種設備安全檢測研究院駐馬店分院 駐馬店 463000）

針對一臺60t桁架門式起重機在使用過程中晃動嚴重的故障現象，運用ANSYS有限元軟件，進行了靜、動力分析，找出了產生晃動的原因，提出了改造方法。實際運行驗證了理論分析和改造方法的正確性。對桁架結構的門式起重機的設計和改造具有一定的借鑒意義。

門式起重機 桁架結構 剛性 模態分析 ANSYS

隨著新技術的不斷應用，起重機的設計思路也正逐漸向輕量化方向發展。桁架結構的門式起重機具有自重較輕、材料較省、成本較低和迎風面積較小等優點，在某些方面體現了起重機輕量化發展的方向。但由于其結構形式變化大、構件多，結構受力計算較為復雜，在實際輕量化設計時存在諸多不便。

1 案例情況簡介

一臺桁架門式起重機，在使用過程中發現起重機有晃動現象，司機在操作起重機啟、制動時（尤其在空載及輕載時），起重機結構晃動明顯，伴隨異響，這極易引起司機疲勞，給起重機作業帶來安全隱患。初步判斷是因為該桁架門式起重機空間尺寸較大，自身剛度較小，啟、制動時其振動周期可能達到或接近起重機的自振周期，從而引起共振，造成起重機振幅過大[1]。本文從設計的角度對該臺桁架門式起重機進行分析，進而提出改進措施并分析驗證。

2 原桁架門式起重機的靜、動力分析

桁架門式起重機的起重小車質量m=5900kg，額定起重量Q=60000kg，跨距S=18m，起升高度H=14m。主梁材料為Q345鋼板及型鋼，選取安全系數n=1.34，則許用應力[σ]=257MPa。本文中采用的材料特性：泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.8×103kg/m3，切變模量G=80GPa，彈性模量E=206GPa，重力加速度g=9.8m/s2。

主梁采用正三角截面雙梁結構，上、下主弦桿采用鋼板焊接而成，呈雙腹板工字型結構，腹桿采用槽鋼焊接而成，呈口字型結構，剛、柔支腿豎支腿、斜支腿以及支腿橫桿均為管子結構。

2.1 創建有限元模型

因該桁架門式起重機結構均為桿狀材料焊接而成，其截面具有規整的輪廓，所以在建模時采用梁單元（beam188）。

為了建立有效的有限元分析模型，既能減少對分析資源的占用，又能滿足工程分析需要，所以對起重機結構進行適當簡化，具體過程如下：

1）忽略不承擔起升載荷的次要部件（如輔助支架及護欄等），并對桿件連接部位進行局部固接，以消除局部細節對網格劃分的影響；

2）小車重量和起升載荷簡化集中力，以輪壓的方式作用于4個小輪上；

3）由于柔性腿同主梁間采用高強度螺栓連接，螺栓分布位置較豎支腿尺寸大，所以直接共節點連接。

4) 針對主梁上弦桿、下弦桿及腹桿截面外形，采用自定義截面方式分別創建其截面文件。按照桿件尺寸分別設定單元數量，重點關注部位設置單元密集；

5) 在剛性腿側一組行走機構位置端，約束三個方向位移自由度以及重力方向為軸心的轉動自由度，釋放小車運行方向、大車運行方向為軸心的轉動自由度；另一組行走機構位置，約束小車運行方向、重力方向位移自由度及重力方向為軸心的轉動自由度，釋放小車運行方向、大車運行方向為軸心的轉動自由度。

柔性腿側，由于大車軌道對行走機構有一定約束作用（軌道與大車車輪輪緣有間隙，超過此間隙即約束該方向的位移），其中一組行走機構有條件約束小車運行方向位移自由度，同時約束大車運行方向、重力方向位移自由度以及小車運行行方向、重力方向為軸心的轉動自由度；另一組行走機構有條件約束小車運行方向位移自由度，同時約束重力方向位移自由度以及小車運行行方向、重力方向為軸心的轉動自由度。

2.2 桁架門式起重機靜力分析

利用上述建立的有限元模型，在起重機起升額定載荷且小車啟、制動時，經過分析計算獲得該桁架門式起重機最大等效應力為145.5 06MPa，下撓值為22.173m m，此時小車運行方向最大位移為47.2381mm，最大等效應力及重力方向上的位移出現在跨中（額定載荷下的等效應力云圖見圖1，下撓云圖見圖2）。

GB/T 3811—2008 《起重機設計規范》[2]中要求，使用簡單控制系統能達到中等定位精度特性的起重機的靜撓度[3]：

圖1 改造前額定載荷下的等效應力云圖

圖2 改造前額定載荷下的下撓云圖

式中：

f——垂直靜撓度；

S——起重機跨度。

則該起重機許可下撓值[f]=24mm，由靜力分析求得的下撓值為22.173mm，滿足下撓許用值。此時最大等效應力145.506MPa，小于許用應力[σ]=257MPa，同樣滿足標準要求。

2.3 桁架門式起重機模態分析

模態分析的主要作用是對該門式起重機的振動特性進行分析，獲得起重機的固有頻率和固有振型[4]，起重機在工作的過程中，由于受到驅動裝置及載荷的共同作用，結構上會產生相應的振動，該振動反過來又會對起重機產生一定的影響，可能導致起重機結構的疲勞破壞，因此，對起重機進行模態分析，確定起重機鋼結構部分的振動特性，這些特征值可作為結構設計的參數，進一步修正設計，以盡量減小不利振動的影響，防止起重機在工作過程中出現共振[5]。在進行模態分析時需要注意以下兩點：

1)模態分析應盡可能選用線性單元，非線性單元將被忽略。材料的非線性特性將被系統忽略。材料的密度和材料的彈性模量必須指定。

2)在模態分析在進行加載時，僅有零位移約束是有效的，忽略其它方式的載荷。

小車位于門架跨中位置，采用mass單元進行質量加載，列出原桁架門式起重機垂直方向的固有頻率，前10階的固有頻率值見表1。

表1 原桁架門式起重機前10階固有頻率值

門式起重機的垂直動態剛度取[fv]=1.4～2Hz[6]，由1階固有頻率可知，該桁架門式起重機動態剛度未能滿足要求。

3 改造后桁架門式起重機靜、動力分析3.1 對原桁架門式起重機改造的方法

由現場司機反饋以及上文分析結果可知，增強該起重機重力方向剛度和小車運行方向的剛度是解決晃動問題的關鍵。而對該起重機來說，增加剛、柔支腿與主梁之間連接的剛度是較為簡便、可行性較高的方法，所以采用在支腿與主梁之間增加斜撐的具體措施。

1)剛性腿側，在豎腿與主梁間增加斜撐桿，間隔距離為主梁2個斜腹桿連接節點距離，斜撐桿截面選用同剛性腿橫桿。同時在斜撐桿下部剛性腿水平方向增加一套橫桿，以增強對斜撐桿的支撐作用；

2)柔性腿側，同樣增加斜撐桿，間隔距離與剛性腿側一致，斜撐桿截面選用同柔性腿橫桿。同時在斜撐桿的下部柔性腿水平方向增加一根橫桿，增強局部穩定性。

3.2 改造后桁架門式起重機靜力分析

采用與上文分析時同樣的設置，在增加斜撐桿后，經過分析獲得改造后桁架門式起重機最大等效應力為137.97MPa，下撓值為20.7602mm，此時小車運行方向最大位移為29.298mm，最大等效應力及重力方向上的位移出現在跨中（額定載荷下的等效應力云圖見圖3，下撓云圖見圖4）。由該分析可以發現，改造后的結構，最大應力略微降低，下撓值也略微降低，但小車運行方向最大位移大為減小。

圖3 改造后額定載荷下的等效應力云圖

圖4 改造后額定載荷下的下撓云圖

3.3 改造后桁架門式起重機模態分析

采用與上步模態分析時同樣的設置，對改造后桁架門式起重機進行模態分析，并列出其垂直方向的前10階的固有頻率值（見表2）。

表2 改造后桁架門式起重機前10階固有頻率值

由表2可見，改造后的桁架門式起重機，垂直方向固有頻率值均大于2Hz，均滿足大于許可值（[fv]=1.4～2Hz）的要求。改造后的起重機可大大降低對司機操作時的疲勞影響，增加操作人員心理安全性。

4 結論

本文根據起重機的具體情況，在考慮不利載荷條件下，建立桁架門式起重機的有限元模型，通過靜力學分析，得出起重機的強度、靜剛度數據，并根據現場操作人員的反饋情況，針對性地提出改造方案。然后對改造后的桁架門式起重機結構先進行靜力分析，然后再進行動剛度校核，證明這種改造方案是有效且滿足設計要求的。針對本案例的分析：

1)對于主梁采用螺栓連接的柔性腿，分析時可看作固接。

2)由于軌道對行走機構的約束作用，支腿下端沿主梁方向位移自由度不可完全釋放，須進行有限約束。

3)增大支腿與主梁連接位置尺寸，或采用增加斜撐的方式，可顯著減小沿主梁方向的晃動，同時增大整機固有頻率。

4)采用本文提出的改造方法，水平方向位移由47.2381mm減小到29.298mm，降低水平晃動值38%。經過改造，垂直方向1階動態剛度由1.2629Hz提高到2.217Hz，提升動態剛度76%，滿足動態剛度計算許可，進一步將起重機固有頻率與啟、制動驅動（震源）頻率差值拉大，消除共振影響。

經司機對改造前、后起重機的操作對比體驗和現場使用狀況驗證，改造后起重機的運行效果良好，基本解決了該桁架門式起重機啟、制動時的晃動問題，司機操作心理安全感也大為提高。

[1] 吳忠誠．鋼結構吊車梁設計中的振動問題[J]．工程建設與設計，2012，（07）：73-74.

[2] GB/T 3811—2008 起重機設計規范[S]．

[3] 張磊．基于VB及APDL的門式起重機有限元分析系統[D]．成都：西南交通大學，2014.

[4] 王雪峰．電動葫蘆門式起重機結構分析與優化設計[D]．鄭州：鄭州大學，2014.

[5] 陳鵬．基于實例的起重機狀態監測結果對設計的反饋性研究[D]．武漢：武漢理工大學，2002.

[6] 徐格寧．機械裝備金屬結構設計[M]．北京：機械工業出版社，2 009：315.

Shaking Analysis and Structural Modification of Truss Gantry Crane

Li Fang

(Zhumadian Branch of Henan Province Special Equipment Inspection Institute Zhumadian 463000)

For a 60 t truss gantry crane severe shaking phenomenon in the process of using, ANSYS fnite element software is used to carry out the static and dynam ic analysis and fnd out the reasons for shaking; this paper puts forward the method of reconstruction. The actual operation verif es the correctness of theoretical analysis and reconstruction, which is of great signif cance to the design and modif cation of gantry crane w ith truss structure.

Gantry crane Truss structure Rigidity Modal analysis ANSYS

X 941

B

1673-257X(2017)06-0060-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.015

李方（1989～），男，本科，助理工程師，從事特種設備檢驗工作。

李方，E-mail: 176187394@qq.com。

2016-12-26）