橋式起重機活動司機室結構動態特性研究

張志剛

太重集團科技開發公司 山西太原 030000

近些年來，隨著我國工業生產活動的不斷開展，以橋式起重機為首的機械設備逐漸成為工業生產活動常用的設備之一。從運行應用角度上來看，橋式起重機通過橫架于車間、倉庫以及料場上空，可實現物料吊運過程。一般來說，橋式起重機可利用橋架下面的空間對物料進行吊運處理，在這一過程中不會受到地面設備的阻礙影響。不難看出，橋式起重機在靈活度以及安全性方面表現較強。其中，司機室作為橋式起重機結構體系的重要組成部分一定程度上可以保障起重機械運輸質量安全的作用[1]。結合以往的應用經驗來看，司機室通常會按照人機工程學原理進行優化設計，以期可以保障橋式起重機運行質量安全。然而結合實際情況來看，橋式起重機在運行過程中容易受到較多不確定因素的影響，導致活動司機室在運轉過程中存在質量缺陷問題。針對于此，建議研究人員應該加強司機室結構動態特性問題的研究分析，盡量減少運行質量問題。

1 某橋式起重機應用現狀分析

某55t×34m橋式起重機主要采用活動司機室結構形式，引進于德國某公司設計與制造。最開始該活動司機室吊掛在空間框架結構的懸臂端位置，其中，該空間框架結構主要有懸臂、立桿以及斜撐組成，立桿與斜撐結構的另一端主要與小車架下橫梁底部相連。在應用過程中，不少操作人員反映該活動司機室振動問題明顯，且在操作過程中常常有墜落的感覺。為及時改善這一問題，相關人員對該活動司機室進行了重點改造，主張將懸臂延長并增設斜撐結構。改造處理之后，該活動司機室振動感明顯減弱，在一定程度上消除了操作人員作業期間的風險性。但是經過幾年的運行之后，操作人員反映該司機室又出現明顯下沉現象，并且在下沉過程中伴隨著劇烈振動。顧慮到該起重機設備已經應用近20年，且長期承擔著較重的生產任務。針對于此，相關單位對該起重機設備進行了全面檢測與性能評估，并重點針對其活動司機室結構動態特性問題進行了研究與分析。

2 橋式起重機結構測試與分析

2.1 主要焊縫探傷

焊縫探傷基本上可以視為橋式起重機結構測試體系的重要組成部分。為進一步加強對橋式起重機內部結構的測試分析，操作人員針對主梁下蓋板對接焊縫以及腹板角焊縫等進行了磁粉探傷，根據探傷反饋結果來看，并未發現超標裂紋[2]。

2.2 幾何測試

幾何測試主要圍繞上拱度、靜剛度以及水平旁彎度等參數變量問題進行精準測量，結合上述幾何變形參數測量結果來看，因經過多年的使用，其上拱度已經不在允許范圍之內。但是該車已經使用近20年的時間，其上拱度仍可以保持18.5mm以及15.5mm，基本上可以認為符合要求。與此同時，靜剛度也符合設計要求。需要注意的是，當滿載小車處于跨中時，其兩根主梁會出現微小的下撓現象。在水平旁彎度方面，主梁水平旁彎度可以達到外凸1mm，大體上可以滿足預期設計要求。

2.3 主梁跨中應力測試

在主梁跨中應力測試方面，操作人員主要將應力測試點選在西主梁跨中位置，也就是上蓋板內側上表面位置。其中，測點應該避開焊縫位置以及加強筋板位置。在測試儀器的選擇上，可利用動態應變儀實現對測試過程的全周期管理。在測試分析過程中，操作人員可以讓空載小車停在主梁一端，此時儀器應該調零；大車與空載小車應該根據實際情況調整位置，直到吊具處位置之后吊起吊具；空載小車在移進跨中位置時，應該停留片刻；大車與空載小車調整位置之后，應該放下吊具并吊起荷重；滿載小車移動到跨中位置時，整機將會處于靜止上狀態[3]。

此時，操作人員應該測量靜剛度；吊具吊著荷重反復做下降制動以及上升制動操作，并做好動剛度測試，根據測試反饋結果，判斷其中運行情況；大車以及滿載小車應該做復合運動，并在運動過程中緩緩移動到荷重停放處，此時，空載小車應該回到主梁端部，停止上述測試。根據現場反饋情況來看，這一測試過程持續了40分鐘左右，操作人員從中測取動應力信號。

2.4 主梁動剛度

橋式起重機在提升荷重的瞬間會產生較大的激振力，而產生的激振力會引發金屬結構垂直振動問題。一般來說，這種振動效應并不會對結構承載能力造成直接影響，卻會對其中運行性能產生一定影響，如可能會惡化結構件的受力條件。在實踐研究過程中，操作人員通常會以橋架自振頻率也就是我們常說的動剛度作為衡量因素，在完成動態應力測試之后，操作人員可截取主梁跨中應力信號表現情況以及起升制動片段，完成傅立葉變換過程，獲取主梁動剛度數值[4]。結合現場測量情況來看，主梁動剛度為1.8Hz。按照《起重機設計規范》來看，主梁動剛度應該超過2Hz。也就是說，該起重機主梁難以滿足設計規范要求，也就是動剛度要求。因此可以理解其中基礎量無法滿足動剛度要求，是導致司機室劇烈振動的重要因素。

3 橋式起重機活動司機室結構測試分析

3.1 關鍵部位應力測試

因司機室連接框架受力特點相對特殊，操作人員在應力測試分析方面只選取關鍵部位，如懸臂與立桿連接點、立桿與小車架連接點。結合現場應力信號圖反饋情況來看，懸臂上表面應力變化比較明顯，其中，比較明顯的靜應力一般多集中體現在跨中工況當中，如空鉤小車靠近跨中位置以及滿載小車位于跨中位置。根據應力數值反饋情況來看，位于南側位置的測點在空鉤工況應力數值的表現上主要為17.1MPa；北側應力數值為20.6MPa。

按照規范要求來看，滿載工況的應力應該表示為16.3MPa。從客觀角度上來講，在某些工況條件的影響下，應力變化趨勢可能會存在較大波動問題，這也可以從側面反映出司機室在移動過程中存在豎直剛度不足，引發司機室整體偏轉的問題。因此在信號圖反饋上，可以明顯看出兩側懸臂一個處于受拉狀態，一個處于松弛狀態。并且一個始終處于增大狀態，另一個始終處于減少狀態[5]。

需要注意的是，小車架下橫梁應力變化并不是很明顯，在幅值變化方面基本上可以滿足一定要求。另外，在整個靜剛度測試過程中，整臺起重機處于靜止狀態。但是對于小車架下橫梁表面而言，其應力存在漸變趨勢，側面反映出司機室豎直方向存在剛度不足的問題。

3.2 振動分析

根據起重機不同運動工況表現，現場操作人員主張將測試過程分為多個短時間段進行測試分析。其中，在分析過程中，操作人員需要對每一個時間段的應力信號進行傅立葉變換，目的在于獲得不同方向的特征頻率。在具體處理過程中，操作人員需要對每一次計算取前5階，根據數值反饋結果確定能量最集中的主頻區域。一般來說，我們可以將這一主頻區域視為其對應方向的固有頻率。從整體上來看，結合相關數值可以發現小車運行對立桿上端以及小車架連接部位所產生的振動影響并不是很大，但是對于懸臂上對稱位置而言，所產生的振動影響較為明顯。同時，在大車運行以及吊鉤起吊測點位置方面，所產生的振動問題比較明顯，與起重機操作人員感覺一致，存在明顯下沉且振動現象。

對于同一部位而言，不同工況在頻率方面存在較大差異。究其原因，主要是因為不同工況對起重機產生的激勵效果存在一定差異。對于同種結構對稱部位測點而言，在頻率分布表現上基本上可以呈現出相似特點。但是在某些特殊情況下也會存在差異問題，可以從側面說明其振動形態并不是完全一致的。除此之外，在吊鉤起升以及下降過程中，吊鉤曾經著地。針對這一現象問題，操作人員可對著地前后兩個時間段進行測試分析[6]。根據分析反饋結果，確定主梁著地前后的振動頻率。結合司機室立桿傅立葉變換結果來看，在豎直方向振動頻率的表現上主要以1.8Hz與2Hz為主。結合《起重機設計規范》來看，該活動司機室在振動性能方面不符合要求，導致操作人員在操作過程中會感受到明顯的振動問題。從水平方向上來看，其振動頻率大于3Hz，基本合格。

4 結果分析

結合上述幾何測試表明，該橋式起重機在上拱度以及靜剛度方面都存在不同程度的薄弱問題，同時水平旁彎度也存在薄弱問題。但是從橋式起重機使用功能上來看，上述數值可基本符合要求。經應力測試顯示，該橋式起重機在主梁以及司機室關鍵連接部位方面所表現出的應力情況并不是很明顯，同時應力幅值也并不是很大，基本上可以滿足設計要求。但是需要注意的是，司機室連接框架所顯現出的對稱布置中的測點應力變化并不是完全一致。足以說明，該對稱結構在受力特點方面并不完全對稱。在復合運動的工況條件下，司機室豎直方向所呈現出的振動頻率多次出現波動問題，導致操作人員在司機室內可以感受明顯振動。再加上動剛度嚴重不足，可能會對其中操作人員安全操作構成威脅，并且容易引發安全生產事故。

5 相關建議

為確保橋式起重機始終處于高效穩定的運行狀態，建議操作人員應該在不增加工作強度的條件下，對其進行定期的維護保養。以本文所研究的橋式起重機為例，操作人員可在不增加工作強度的條約下繼續使用。同時,管理人員應該對其金屬結構進行定期性能測試與評估，且日常點檢工作也應該落實到位。另外，司機室連接結構應該進行優化設計，必須按照人機工程學原理，提高司機室與小車架之間的連接剛性。需要注意的是，操作人員應該嚴格規范個人的操作行為，嚴格按照橋式起重機操作規范要求，避免橋式起重機在運行過程中出現質量隱患問題[7]。

6 結語

總而言之，通過本文對橋式起重機活動司機室結構動態特性的研究與分析，不難看出，引發橋式起動機活動司機室振動問題的因素較多，在具體排除與管理過程中，操作人員應該主動結合問題的具體成因以及表現，采取針對性措施加以規避處理。與此同時，在選用橋式起重機的過程中，操作人員應該根據現場生產需求以及工藝流程內容，選擇質量達標的橋式起重機進行應用。除此之外，對于存在老化問題的橋式起重機應進行定期維護與保養。情況嚴重時，應進行及時更換，從根本上橋式起重機活動司機室運行質量安全。