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)橋梁運架設(shè)備檢測中心,石家莊 050043)

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

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)橋梁運架設(shè)備檢測中心,石家莊 050043)

針對提梁機(jī)動力特性研究不夠深入,對提梁機(jī)安全性影響不夠系統(tǒng)的問題,采用數(shù)值仿真的方法,以MG450-38型提梁機(jī)為研究對象進(jìn)行動力特性分析,分析表明,荷載、邊界條件和支腿高度等變化對動力特性的影響顯著,提梁機(jī)的動力分析應(yīng)結(jié)合實際作業(yè)工況對結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合考慮,以判斷結(jié)構(gòu)振動的不穩(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專線專用大噸位箱梁設(shè)備,在高速鐵路和客運專線建設(shè)初期,由于多條線路同時開工,出于平行作業(yè)需要,施工企業(yè)購置了大量提梁機(jī)用于不同標(biāo)段施工。近兩年鐵路建設(shè)速度放緩,施工單位可以對原有提梁機(jī)進(jìn)行改造,從而適應(yīng)新的梁場作業(yè)需要。在提梁機(jī)改造過程中,技術(shù)人員往往只注重對提梁機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性檢算,通過增減支腿高度和卷揚機(jī)容繩量來適應(yīng)跨墩提梁的需要,對于支腿高度及卷揚機(jī)容繩量變化對提梁機(jī)動力特性的影響認(rèn)識不足,往往疏于分析計算。從設(shè)備改造后的反饋情況來看,提梁機(jī)設(shè)備往往出現(xiàn)結(jié)構(gòu)晃動幅度偏大、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)備動力性能有直接關(guān)系。動力性能是大型門式起重機(jī)的重要性能指標(biāo)之一,振動不僅會造成結(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,還會引起結(jié)構(gòu)共振,產(chǎn)生很高的動應(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,緊鄰箱梁臺座,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)工程中的每一個工況,如靜止起吊、重載走行、小車橫移等都會引起自身結(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結(jié)構(gòu)的動力特性進(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,對固有頻率和振型影響甚微,故忽略不計,將其歸于多自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動分析,其振動微分方程為[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}是一個典型的特征值問題求解。

將式(1)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的特征值問題,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)動力特性,n個固有頻率及對應(yīng)模態(tài)。對于動力作用下的結(jié)構(gòu)而言,動力特性分析可為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù),提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動性能[4-8]。

2 提梁機(jī)有限元計算模型

2.1 提梁機(jī)構(gòu)造特點及技術(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,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)通過調(diào)整支腿與主梁的線剛度比,實現(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(通過增減支腿立柱調(diào)整高度);跨度38 m;利用等級U1;整機(jī)工作級別A3;機(jī)構(gòu)工作級別M4;額定起升速度0.5 m/min;小車運行速度5 m/min;大車運行速度10 m/min。

2.2 有限元模型的建立

提梁機(jī)動力模型應(yīng)能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的動力性能,即起重小車、門架結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布,同時還應(yīng)考慮司機(jī)室、走臺、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)采用梁單元模擬分析。

模型建立過程中,在保證結(jié)構(gòu)模型能夠真實反映實際受力狀態(tài)的情況下,對一些局部進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕痆9-11]:梯子、走臺、欄桿、司機(jī)室等以節(jié)點荷載形式施加,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)振動模態(tài)計算及分析

提梁機(jī)作業(yè)是一個比較復(fù)雜的工況,作業(yè)過程中,負(fù)載、邊界條件和支腿高度的變化均會導(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,滿載時振動頻率顯著降低,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;(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頻率變化不大;(4)豎向自振頻率大于2 Hz,說明其動態(tài)剛性滿足設(shè)計要求[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動力特性的影響,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,振動系統(tǒng)衰減時間減少;(2)空載工況下約束的增減對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)靜止和走行均會導(dǎo)致邊界條件發(fā)生變化,為了保證動力特性的準(zhǔn)確性,實際分析時應(yīng)根據(jù)具體作業(yè)工況對約束正確施加模擬。

3.3 支腿高度變化的影響

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

圖5 支腿高度變化對空載自振頻率的影響

圖6 支腿高度變化對滿載頻率的影響

由圖5和圖6可知:(1)支腿高度的改變會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)頻率會降低;(2)支腿高度的變化,對滿載頻率的影響大于對空載頻率的影響,滿載頻率的變化幅度大于空載自振頻率;(3)由于變高對結(jié)構(gòu)頻率影響較大,激勵頻率范圍改變,故需認(rèn)真分析其動力特性。

4 結(jié)論

(1)對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,可以了解其動力特性,為設(shè)備安全作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

(2)豎向振動可由起升電機(jī)或卷揚機(jī)激勵起振;縱向水平振動可由起重小車起、制動等原因激勵起振;橫向水平振動可由大車起、制動等原因激勵起振。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,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,對結(jié)構(gòu)頻率影響明顯。設(shè)備轉(zhuǎn)場后,提梁機(jī)變高改造或設(shè)備起重質(zhì)量降級使用后,需對其進(jìn)行動力特性分析,明確其頻率變化范圍,排除外界激勵源,提高作業(yè)安全性。

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

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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)計劃項目(2008G008-A);石家莊鐵道大學(xué)科研專項基金(20132023)

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