陳士通,杜修力,張文學(xué),趙振宇

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124;2.石家莊鐵道大學(xué)橋梁運(yùn)架設(shè)備檢測(cè)中心,石家莊 050043)

結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)提梁機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響分析

陳士通1,2,杜修力1,張文學(xué)1,趙振宇2

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124;2.石家莊鐵道大學(xué)橋梁運(yùn)架設(shè)備檢測(cè)中心,石家莊 050043)

針對(duì)提梁機(jī)動(dòng)力特性研究不夠深入,對(duì)提梁機(jī)安全性影響不夠系統(tǒng)的問(wèn)題,采用數(shù)值仿真的方法,以MG450-38型提梁機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力特性分析,分析表明,荷載、邊界條件和支腿高度等變化對(duì)動(dòng)力特性的影響顯著,提梁機(jī)的動(dòng)力分析應(yīng)結(jié)合實(shí)際作業(yè)工況對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合考慮,以判斷結(jié)構(gòu)振動(dòng)的不穩(wěn)定因素,從避免共振的角度確定起重機(jī)部件參數(shù)以提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

提梁機(jī);動(dòng)態(tài)特性;模態(tài)分析;有限元;結(jié)構(gòu)參數(shù)

450 t提梁機(jī)作為高速鐵路或客運(yùn)專線專用大噸位箱梁設(shè)備,在高速鐵路和客運(yùn)專線建設(shè)初期,由于多條線路同時(shí)開工,出于平行作業(yè)需要,施工企業(yè)購(gòu)置了大量提梁機(jī)用于不同標(biāo)段施工。近兩年鐵路建設(shè)速度放緩,施工單位可以對(duì)原有提梁機(jī)進(jìn)行改造,從而適應(yīng)新的梁場(chǎng)作業(yè)需要。在提梁機(jī)改造過(guò)程中,技術(shù)人員往往只注重對(duì)提梁機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性檢算,通過(guò)增減支腿高度和卷?yè)P(yáng)機(jī)容繩量來(lái)適應(yīng)跨墩提梁的需要,對(duì)于支腿高度及卷?yè)P(yáng)機(jī)容繩量變化對(duì)提梁機(jī)動(dòng)力特性的影響認(rèn)識(shí)不足,往往疏于分析計(jì)算。從設(shè)備改造后的反饋情況來(lái)看,提梁機(jī)設(shè)備往往出現(xiàn)結(jié)構(gòu)晃動(dòng)幅度偏大、司機(jī)室舒適度差、設(shè)備檢修人員心理恐懼等現(xiàn)象,究其原因,與設(shè)備動(dòng)力性能有直接關(guān)系。動(dòng)力性能是大型門式起重機(jī)的重要性能指標(biāo)之一,振動(dòng)不僅會(huì)造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,當(dāng)激振力的頻率接近結(jié)構(gòu)的某一固有頻率時(shí),還會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振,產(chǎn)生很高的動(dòng)應(yīng)力,造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞或產(chǎn)生不允許的大變形,破壞門式起重機(jī)的性能[1-2]。提梁機(jī)一般安裝在預(yù)制梁場(chǎng),緊鄰箱梁臺(tái)座,施工環(huán)境惡劣、結(jié)構(gòu)龐大,一旦發(fā)生事故,往往機(jī)毀人亡,生命財(cái)產(chǎn)、工程質(zhì)量損失巨大。

提梁機(jī)作業(yè)工程中的每一個(gè)工況,如靜止起吊、重載走行、小車橫移等都會(huì)引起自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度矩陣變化,受力狀況復(fù)雜多變。以MG450-38型提梁機(jī)為研究對(duì)象,在介紹其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合空間有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析,分析結(jié)果為此類設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造加工提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)借鑒。

1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析原理

提梁機(jī)的模態(tài)分析,因結(jié)構(gòu)阻尼較小,對(duì)固有頻率和振型影響甚微,故忽略不計(jì),將其歸于多自由度系統(tǒng)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)分析,其振動(dòng)微分方程為[3]

式中,[M]、[K]分別為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣;{x}為系統(tǒng)的位移向量。求解{x}是一個(gè)典型的特征值問(wèn)題求解。

將式(1)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的特征值問(wèn)題,振型方程為

式中,[S]=[M]-1[K],λ=

式(2)有非零解,則有頻率方程

由此方程可以得到提梁機(jī)動(dòng)力特性,n個(gè)固有頻率及對(duì)應(yīng)模態(tài)。對(duì)于動(dòng)力作用下的結(jié)構(gòu)而言,動(dòng)力特性分析可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù),提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)性能[4-8]。

2 提梁機(jī)有限元計(jì)算模型

2.1 提梁機(jī)構(gòu)造特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

MG450-38型提梁機(jī)如圖1所示,由主梁、剛性支腿和有限剛度支腿組成門架結(jié)構(gòu),起重小車可沿主梁上部軌道吊梁重載走行,支腿采用“人”字形結(jié)構(gòu),在“人”字形結(jié)構(gòu)上部直線段可輕松增減變高節(jié),滿足提梁機(jī)適應(yīng)不同墩高,實(shí)現(xiàn)跨墩提梁作業(yè)的需要。

門式起重機(jī)跨度大于35 m時(shí),以減小大車輪軌與走行軌道間的水平作用力及溫度變化造成的附加內(nèi)力,門架結(jié)構(gòu)支腿多采用“一剛一柔”結(jié)構(gòu)型式,但此種結(jié)構(gòu)型式會(huì)導(dǎo)致提梁機(jī)縱向水平位移較大,不利于作業(yè)安全。MG450-38型提梁機(jī)通過(guò)調(diào)整支腿與主梁的線剛度比,實(shí)現(xiàn)了剛性支腿和有限剛度支腿的門架結(jié)構(gòu),既降低了水平作用力,又可有效控制橫向位移,取得了理想效果。

圖1 450 t提梁機(jī)結(jié)構(gòu)圖示

該機(jī)技術(shù)參數(shù)如下:額定起重質(zhì)量450 t;起升高度25 m(通過(guò)增減支腿立柱調(diào)整高度);跨度38 m;利用等級(jí)U1;整機(jī)工作級(jí)別A3;機(jī)構(gòu)工作級(jí)別M4;額定起升速度0.5 m/min;小車運(yùn)行速度5 m/min;大車運(yùn)行速度10 m/min。

2.2 有限元模型的建立

提梁機(jī)動(dòng)力模型應(yīng)能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,即起重小車、門架結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布,同時(shí)還應(yīng)考慮司機(jī)室、走臺(tái)、欄桿等結(jié)構(gòu)影響?？紤]到提梁機(jī)金屬結(jié)構(gòu)為鋼板焊接構(gòu)件,再通過(guò)螺栓連接為門架結(jié)構(gòu),單元類型單一,故模型中門架結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M分析。

模型建立過(guò)程中,在保證結(jié)構(gòu)模型能夠真實(shí)反映實(shí)際受力狀態(tài)的情況下,對(duì)一些局部進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[9-11]:梯子、走臺(tái)、欄桿、司機(jī)室等以節(jié)點(diǎn)荷載形式施加,將螺栓連接視為剛性連接,有限元模型如圖2所示。

圖2 提梁機(jī)有限元模型

金屬結(jié)構(gòu)材料為Q345,其彈性模量為206 GPa,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3。

3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)計(jì)算及分析

提梁機(jī)作業(yè)是一個(gè)比較復(fù)雜的工況,作業(yè)過(guò)程中,負(fù)載、邊界條件和支腿高度的變化均會(huì)導(dǎo)致提梁機(jī)模態(tài)和陣型的變化。

3.1 負(fù)載變化的影響

提梁機(jī)不同于一般的門式起重機(jī),其荷載模式僅為兩種:空載移動(dòng)或額定荷載重載走行。由于低階模態(tài)占主要地位,影響提梁機(jī)性能的為低階模態(tài),故文中僅列出前10階固有頻率和滿載頻率(表1)和前5階對(duì)應(yīng)振型(圖3)。

表1 提梁前10階頻率Hz

圖3 提梁機(jī)前5階振型

分析表1和圖3可知:(1)重載作業(yè)使得門架結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣發(fā)生了變化,滿載時(shí)振動(dòng)頻率顯著降低,一階縱向、橫向和豎向頻率滿載與固有頻率比值在0.61～0.52;(2)重載作業(yè)使得結(jié)構(gòu)3～10階振型振動(dòng)方式發(fā)生了變化,使得豎向一階振型提前出現(xiàn),但是空載和重載工況下,前兩階振型相同,分別為縱向和橫向振動(dòng);(3)結(jié)構(gòu)階型的發(fā)生與荷載關(guān)系密切,隨著加載的發(fā)生,3～10階盡管振型出現(xiàn)次序發(fā)生了改變,但剛性支腿和柔性振動(dòng)頻率變化不大;(4)豎向自振頻率大于2 Hz,說(shuō)明其動(dòng)態(tài)剛性滿足設(shè)計(jì)要求[12]。

3.2 約束變化的影響

提梁機(jī)大車走行車輪輪緣與走行軌道間留有間隙,提梁機(jī)在走行過(guò)程中,其車輪與軌道相互位置不停變化,直至輪緣與軌道接觸。因此,約束條件隨提梁機(jī)作業(yè)工況的變化而變化,為直觀了解約束條件對(duì)動(dòng)力特性的影響,圖4給出了空載約束UX、UY、UZ(系列1)、空載約束全部自由度(系列2)、滿載約束UX、UY、UZ(系列3)、滿載約束全部自由度(系列4)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)頻率圖示。

圖4 約束的影響

從圖4中分析可知:(1)約束的增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頻率的加大,振動(dòng)系統(tǒng)衰減時(shí)間減少;(2)空載工況下約束的增減對(duì)頻率的影響大于滿載工況,隨著階次升高,影響愈加明顯;(3)軌距誤差、軌道不平順、提梁機(jī)靜止和走行均會(huì)導(dǎo)致邊界條件發(fā)生變化,為了保證動(dòng)力特性的準(zhǔn)確性,實(shí)際分析時(shí)應(yīng)根據(jù)具體作業(yè)工況對(duì)約束正確施加模擬。

3.3 支腿高度變化的影響

提梁機(jī)的主要功能是2臺(tái)450 t提梁機(jī)配合,實(shí)現(xiàn)大噸位箱梁提梁、移梁和跨度裝車,提梁機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)后,由于橋墩高度的變化,往往需要改變自身高度來(lái)滿足跨墩提梁作業(yè)的需要。支腿高度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)頻率影響明顯,如圖5、圖6所示。

圖5 支腿高度變化對(duì)空載自振頻率的影響

圖6 支腿高度變化對(duì)滿載頻率的影響

由圖5和圖6可知:(1)支腿高度的改變會(huì)引起剛度矩陣的變化,隨著支腿高度的增加,相應(yīng)階次模態(tài)頻率會(huì)降低;(2)支腿高度的變化,對(duì)滿載頻率的影響大于對(duì)空載頻率的影響,滿載頻率的變化幅度大于空載自振頻率;(3)由于變高對(duì)結(jié)構(gòu)頻率影響較大,激勵(lì)頻率范圍改變,故需認(rèn)真分析其動(dòng)力特性。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于大噸位橋梁起重設(shè)備,根據(jù)作業(yè)工況進(jìn)行仿真分析,可以了解其動(dòng)力特性,為設(shè)備安全作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

(2)豎向振動(dòng)可由起升電機(jī)或卷?yè)P(yáng)機(jī)激勵(lì)起振;縱向水平振動(dòng)可由起重小車起、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振;橫向水平振動(dòng)可由大車起、制動(dòng)等原因激勵(lì)起振。大車和起重小車走行速度、小車起升速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速和卷筒直徑等參數(shù)選擇時(shí),應(yīng)在避免共振的基礎(chǔ)上確定。

(3)提梁機(jī)高度和起重質(zhì)量的變化,對(duì)結(jié)構(gòu)頻率影響明顯。設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)后,提梁機(jī)變高改造或設(shè)備起重質(zhì)量降級(jí)使用后,需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力特性分析,明確其頻率變化范圍,排除外界激勵(lì)源,提高作業(yè)安全性。

隨著西南地區(qū)高速鐵路和客運(yùn)專線的開工建設(shè),高墩橋梁的提梁架設(shè)對(duì)提梁機(jī)的性能指標(biāo)提出了新的要求,起升高度、起升速度會(huì)相應(yīng)增加以適應(yīng)墩高需要,提梁機(jī)的動(dòng)態(tài)特性分析更加重要。提梁機(jī)作業(yè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,邊界條件、質(zhì)量位置等參數(shù)隨著不同的工況條件而時(shí)刻變化,各參數(shù)對(duì)動(dòng)力特性的影響敏感程度不同,因此,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面影響,精確模擬實(shí)際作業(yè)工況,從而達(dá)到動(dòng)態(tài)特性分析為工程服務(wù)的目的。

[1] 李菁,靳慧,丁克勤.300 t造船龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010(6):54-58.

[2] 沈榮勝,王勝春,王積永.基于Ansys的塔式起重機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2011(9):68-70.

[3] 楊明亮,徐格寧,常爭(zhēng)艷,等.基于有限元法的橋式起重機(jī)橋架模態(tài)分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2012(1):135-137.

[4] 王勝春,宋世軍,靳同紅,等.塔式起重機(jī)的振動(dòng)模態(tài)分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010(7):912-914.

[5] 劉玉峰,張曉鐘.門式起重機(jī)的模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2012 (3):18-22.

[6] 王心順,舒春生.非對(duì)稱高墩大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(6):55-57.

[7] 胡宗武,閻以誦.起重機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[8] 朱從兵.基于有限元法的輕型港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2008(3):333-339.

[9] 李年維.YQ165T-40型架橋機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能及諧響應(yīng)分析[J].工程抗震與加固改造,2011(10):27-31.

[10]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[11]黃曉彬,李濤,吳定俊.大跨度單線鐵路連續(xù)梁拱橋動(dòng)力特性分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(7):59-62.

[12]張質(zhì)文,虞和謙.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2001.

Influence of Structural Parameters Variation on Girder Hoisting Machine's Dynamic Characteristic

CHEN Shi-tong1,2,DU Xiu-li1,ZHANG Wen-xue1,ZHAO Zhen-yu2
(1.College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Quality Testing Center of Bridge Transportation and Erection Equipment,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

U445.36

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.023

1004-2954(2014)08-0095-03

2013-11-28;

2013-12-18

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2008G008-A);石家莊鐵道大學(xué)科研專項(xiàng)基金(20132023)

陳士通(1977—),男,高級(jí)工程師,博士研究生,E-mail: chst77@126.com。