单主梁门式起重机动态特性

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门式起重机是-种作循环、间歇运动的机械，是通用起重机械的-个重要分支.支承结构称为门架，往往跨越在火车轨道上，-般做成门形，以保证其下面有-定的通过性 .目前，国内起重机的设计手段主要是以二维力学模型设计为主，这种虽然设计方法简洁，与传统设计方法衔接过渡相对较快，但 自身也存在着难以克服的问题：复杂投影线生成的问题、漏画图线、漏标尺寸问题、设计的更新和修改问题及设计产品的工程管理问题等.在设计过程中不能有效地进行干涉检查、确定重心的位置以及对起重机进行总体的受力分析，更不能定量化的分析机构间隙对门式起重机的动力学特性所产生的影响；由于二维门式起重机力学模型是-个简化的模型，在很多地方都进行了简化处理，同现实产品有-定的出入，其设计精度更有待提高，而且仅依靠二维力学模型是不能准确地反应起重机的动态特性的，例如起重机的振动频率和起升过程中主梁的响应问题等[5-1o].为了准确研究起重机的动态特性，本文利用 ANSYS软件对单主梁门式起重机整体结构进行模态分析和瞬态动力学分析。

1 门式起重机的结构特点以本钢40/10 t-28.3 m型门式起重机为研究对象，其结构特点见图 1。

收稿日期：2012-10.23基金项目：国家质检总局科技计划项目 (2010QK214)作者简介：刘 磊 (1978-)，男，河北 唐山人，硕士，工程师，主要从事特种设备检验及寿命等方面的研究.本文编校：焦 丽522 辽宁工程技术大学学报 (自然科学版) 第32卷1 2 4日 t/l l lDL J 、 fl V /、Li/晕 /。 -；1小车；2电气设备；3大车；4门架；5大车导电架图 1 单主梁门式起重机Fig.1 single girder crane2 f-j式起重机有限元模型的建立为了确贬果的精确性，并同时考虑提高计算速度的因素，采用了在ANSYS中直接建模而并非导入外部3维CAD数据的方法.根据门式起重机结构的特点，分别建立主梁、刚性支腿等部件的有限元模型，最后再将各个部件的有限元模型结合起来，从而得到了门式起重机整体结构的有限元模型。

态单元的产生，简化的有限元模型见图 2图2 起重机有限元模型2.1 单元结构 Fig.2 finite elemem mode1 ofcrrdne单主梁门式起重机是-个复杂的结构，在建立门式起重机有限元模型时，将所有的因素都考虑进去是不可能的.因此需对单主梁门式起重机进行简化，通过采用考虑主要因素，忽略次要因素的方法，建立了既便于分析计算，又能真实反映门式起重机实际工况的有限元模型。

(1)单主梁门式起重机结构主要是由钢板焊接而成的箱型梁结构，在实际工作中会发生弯曲、扭转变形，所以采用 ANSYS中的四边形四节点板壳单元 SHELL63，该单元具有弯曲及薄膜特性，并且平面方向及法线方向的负载皆可承受；(2)主梁和支腿上的扶梯和楼梯在整个结构中影响不大，为简化模型，在有限元模型中不予体现；(3)大车行走机构在门式起重机工作过程中为锁定状态，大车轮子简化为有约束的支撑点。

为了模拟的更加真实，在建立有限元模型的过程中采用映射网格划分的方法，尽量减少和避免病2.2 材料特性该门式起重机结构大部分是由 Q235钢板焊接而成，其材料密度为p7.89 eCmm ，弹性模量为E2.06×10 MPa，泊松比为 03。

2.3 约束状态车轮轮缘与轨道作用，所以4个点在小车运行方向被约束；车轮与轨道之问不允许有相互脱离，所以4个点在地面垂直方向被约束；该起重机大车运行机构为全驱动方式，所以4个点在大车运行方向被约束；大车和支腿及轨道之间的连接特性，所以4个点有3个方向的转动自由度。

3 门式起重机结构的模态分析门式起重机的金属结构具有固有的振动频率，在设计时应使这些固有频率避开外激励的频率，这样可以避免发生共振，有效地减小振动幅值.结构的第4期 刘 磊：单主梁门式起重机动态特性 525研究的重点是起重机主梁在起升动载荷作用下的振动特性，而钢丝绳并不是研究的重点，故在此把钢丝绳认为是刚性体.此时系统可视为单 自由度的振动系统，见图7(图中 、m。、c。分别为等效质量、等效刚度和等效阻尼)。

图7 单 自由度系统Fig.7 single degree of freedom system用 k、m、c代替 、m。、ce，则系统的振动微分方程为(f)cx(t) (f)F(t) ，(1)两边同时乘以 ～，( )2COnX(t)COn x(t)f(t)J，l F(t). (2)o。

图lo tl1.11 主梁位移响应Fig.10 girder response in t1 1.11 S式中，COn为结构自然频率， /k 、 尼率，4.2 阻尼的选取为阻钢结构阻尼比的经验值在不少文献中给出：-般取阻尼比 0.008～O.05，铆接结构的阻尼比取 0。0150.05，焊接结构的阻尼比取 0.0080.01.在瞬态动力学分析中选取阻尼比40.009。

4.3 起重机结构的瞬态动力学响应利用 ANSYS软件的瞬态动力学分析拈，计算分析有阻尼、无阻尼情况下，起重机主梁的结构响应特性.同时，分析起重机在全速、半速、低俗起动情况，主梁的响应情况。

(1)在 O.7 S时，无阻尼与有阻尼情况下，起重机主梁结构的响应见图8和图9。

(2)在阻尼 0.009情况下，在不同加载的时间情况下，起重机主梁的位移响应见图 10和图 11。

量图 9 有阻尼主梁位移响应Fig.9 girder response with damping图 11 t16.24 主梁位移响应Fig.1 1 girder response in tl 6.24 S526 辽宁工程技术大学学报 (自然科学版) 第32卷(3)结果分析通过对结构响应曲线的分析，得出以下结论：随着时间的增加，系统由暂态响应逐渐转化为稳态响应.见图8，在无阻尼情况下，随着时间的增大，系统保持等幅的振动，这对起重机结构无疑是-种考验.而见图9，由于阻尼的作用使系统的能量消耗，随着时间的推移，系统转变为振幅不断衰减的衰减振动.由曲线可知，衰减时间大约在 13 S左右，对-般门式起重机建议[t]12～15 s.可见，该门机符合起重机设计规范要求.见图 l0～图 ll，随着起升速度的减小，起重机主梁的最大位移也跟着减小。

5 结 论研究起重机的动态特性，通过对起重机进行模态分析，确定了起重机结构的动态刚性，因此，可以改变单主梁门式起重机振动频率的范围，以便提高起重机的动态刚性，从而改善驾驶人员工作时的舒适性.通过瞬态动力学分析，确定了阻尼对于起重机振动具有抑制作用，也得出了加载时间对于起重机系统振动的影响规律。