彭敏林 許 容

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200063)

表1 振動(dòng)數(shù)據(jù)(起升速度3.5 m/min)Table 1 Vibration data (lifting speed is 3.5 m/min)

依據(jù)表1的測(cè)試數(shù)據(jù)并結(jié)合相關(guān)振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)ISO2372得知，起升機(jī)構(gòu)振動(dòng)在合格范圍內(nèi)，而司機(jī)室振動(dòng)超出合格范圍。初步推斷是司機(jī)室在起升機(jī)構(gòu)振動(dòng)激勵(lì)下產(chǎn)生共振。

司機(jī)室固定在門式起重機(jī)的剛性腿鋼結(jié)構(gòu)上。鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率很多，可以分為整體的振動(dòng)固有頻率和局部的振動(dòng)固有頻率。司機(jī)室也存在多階固有頻率，故司機(jī)室的整體振動(dòng)不僅要考慮自身固有頻率還要考慮其固定支承的方式。結(jié)合振動(dòng)理論和實(shí)踐，一個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物整體振動(dòng)的固有頻率和局部振動(dòng)的固有頻率都是可以通過計(jì)算和實(shí)測(cè)得到的。本文為了較真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，通過有限元實(shí)體建模仿真分析司機(jī)室的振動(dòng)情況。實(shí)體模型包括司機(jī)室的大部分構(gòu)件，對(duì)于電氣部件等采用同等重量的配重替代。

1.2 有限元仿真分析

參照司機(jī)室供應(yīng)廠商提供的設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)三維建模軟件CATIA建立門式起重機(jī)司機(jī)室三維模型，見圖1。

圖1 司機(jī)室模型Figure 1 Operator cabin model

研究司機(jī)室振動(dòng)機(jī)理可先分析司機(jī)室的基頻。司機(jī)室的基頻即是司機(jī)室自身的一系列固有頻率中最低的固有頻率(有時(shí)候基頻是一個(gè)頻帶)?；l是反映一個(gè)構(gòu)件能夠抵抗外來振動(dòng)擾力激勵(lì)影響最重要的參數(shù)。構(gòu)件的剛度低，基頻則低，就越容易受到振動(dòng)擾力的激勵(lì)產(chǎn)生構(gòu)件的局部振動(dòng)甚至是整體振動(dòng)。從振動(dòng)學(xué)的角度看，構(gòu)件體系的固有頻率都可以用有限元的方法進(jìn)行計(jì)算。

用計(jì)算機(jī)有限元分析軟件導(dǎo)入司機(jī)室三維模型，仿真出司機(jī)室振動(dòng)頻譜參數(shù)。先做司機(jī)室自由固有頻率分析，這是僅有司機(jī)室自身模型，不加外界約束的情況。通過有限元分析，計(jì)算得到表2所示司機(jī)室的1～10階基頻譜。計(jì)算機(jī)有限元分析軟件能形象地仿真出不同基頻下的司機(jī)室振型，不同的頻段振動(dòng)方式不一樣。表2中司機(jī)室最低基頻為0 Hz，最高為11 Hz，說明司機(jī)室自由振動(dòng)對(duì)低頻比較敏感。司機(jī)室7階頻率為8.41 Hz，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)的頻率接近。圖2為司機(jī)室7階基頻對(duì)應(yīng)的振型圖。

將起重機(jī)司機(jī)室底座焊接固定在剛性腿結(jié)構(gòu)外伸的底座上后，司機(jī)室振動(dòng)受外界因素影響較大。用計(jì)算機(jī)有限元分析軟件計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)按照現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)有限元模型施加約束，作固定頻率分析。計(jì)算得到司機(jī)室非自由振動(dòng)的1～10階基頻譜，見表3，對(duì)比司機(jī)室自由振動(dòng)基頻有所不同。圖3是非自由振動(dòng)的司機(jī)室對(duì)應(yīng)1階的振型，與圖2自由振動(dòng)司機(jī)室對(duì)應(yīng)的7階振型差別不大。

表2 司機(jī)室自由振動(dòng)的1～10階基頻Table 2 Low frequencies from 1st to 10th phases of operator cabin free vibration condition

圖2 司機(jī)室自由振動(dòng)7階振型對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變圖Figure 2 Corresponding strain to 7th phase vibration shaping of operator cabin free vibration

頻段頻率/Hz123456789108.42310.47810.73816.14117.1222.25622.63724.24327.40927.498

圖3 司機(jī)室非自由振動(dòng)1階振型對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變圖Figure 3 Corresponding strain to 1st phase vibration shaping of operator cabin non-free vibration condition

綜合分析兩種振動(dòng)情況下的有限元分析軟件仿真得出的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)司機(jī)室的兩種振動(dòng)狀態(tài)的基頻譜數(shù)據(jù)均包含8.4 Hz這個(gè)頻率，而且與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)的頻率接近。因此說明計(jì)算機(jī)有限元仿真能較好反映實(shí)際情況，誤差也在可接受范圍內(nèi)。

從有限元仿真分析的數(shù)據(jù)可知，司機(jī)室振動(dòng)較大主要是由小車起升機(jī)構(gòu)振動(dòng)引起的共振。門式起重機(jī)的司機(jī)室主要是從專業(yè)生產(chǎn)廠商外購，每臺(tái)司機(jī)室的結(jié)構(gòu)參數(shù)存在較大差異，所以即使對(duì)于安裝在相同設(shè)計(jì)的起重機(jī)上的司機(jī)室也可能出現(xiàn)共振之類的特殊現(xiàn)象。

2 改進(jìn)方案及實(shí)施效果

2.1 改進(jìn)方案

x=Asin(wt+ψ)

參照頻譜特性參數(shù)可知，減小振動(dòng)可從多方面入手，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)可改動(dòng)的地方不多。結(jié)合理論公式可知，在其它參數(shù)不變的情況下，改變系統(tǒng)剛度K，就可改變系統(tǒng)的振動(dòng)特性。工程應(yīng)用中主要是改變振幅和頻率，改變振幅即改變振動(dòng)烈度。

按照工程使用要求，減小振動(dòng)體的振動(dòng)幅度最為理想。司機(jī)室為外購件并且已在使用過程中，修改司機(jī)室本身的可能性不大，可以修改司機(jī)室的支撐構(gòu)架來減小振幅，即加強(qiáng)司機(jī)室的底座支撐和增加司機(jī)室頂部支撐。

為了評(píng)估修改司機(jī)室支撐后的效果，再次用有限元分析軟件計(jì)算分析司機(jī)室模型的重新約束，即將司機(jī)室底座約束的同時(shí)對(duì)司機(jī)室頂部增加了前后方向約束。按照修改方案約束后，重新進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算得到司機(jī)室非自由振動(dòng)的1～10階基頻譜，見表4。

從表4數(shù)據(jù)可知，司機(jī)室1階頻率為8.81 Hz，相比較之前的8.42 Hz改變頻率不大，僅提高了0.4 Hz。司機(jī)室的1階頻率振型圖4與修改前差別也不大。圖5顯示的司機(jī)室變形位移改變明顯，振幅明顯減小，由此可知對(duì)司機(jī)室支撐構(gòu)架加強(qiáng)是一種較好的修改方案。

表4 司機(jī)室修改后1～10階的基頻Table 4 Low frequencies from 1st to 10th phases after operator cabin improvement

圖4 司機(jī)室1階頻對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變圖Figure 4 Corresponding stain to 1st phase frequency of operator cabin

圖5 司機(jī)室1階頻對(duì)應(yīng)的變形位移圖Figure 5 Corresponding deformation displacement to 1st phase frequency of operator cabin

2.2 實(shí)施效果

司機(jī)室的下部支撐較弱，剛度欠佳，見圖6。參照仿真結(jié)果，加高司機(jī)室下部懸臂梁的梁高，并增加司機(jī)室頂部支撐桿，增加司機(jī)室系統(tǒng)剛度。綜合施工工藝要求，按照?qǐng)D7所示的方案修改，不需要變動(dòng)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和司機(jī)室自身構(gòu)架。

現(xiàn)場(chǎng)施工嚴(yán)格按照修改方案執(zhí)行，對(duì)司機(jī)室下部的支撐底座增加構(gòu)件，司機(jī)室上部改造為用鋼管連接司機(jī)室骨架和剛性腿的結(jié)構(gòu)。整個(gè)修改過程工作量小，對(duì)其它部分沒有影響。

圖6 司機(jī)室修改前的支撐結(jié)構(gòu)Figure 6 Supporting configuration before operator cabin improvement

圖7 司機(jī)室修改后的支撐結(jié)構(gòu)Figure 7 Supporting configuration after operator cabin improvement

起升振動(dòng)烈度(mm/s)左側(cè)底座右側(cè)垂向側(cè)向垂向垂向側(cè)向垂向25%50%75%100%0.150.20.751.000.20.30.41.50.150.20.30.50.10.10.30.60.10.20.81.70.10.250.50.7

修改工程完成后，重新對(duì)司機(jī)室相應(yīng)部位進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，測(cè)得數(shù)據(jù)見表5。對(duì)比修改前后的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，本次改進(jìn)效果明顯。在起升機(jī)構(gòu)各級(jí)速度運(yùn)行時(shí)，司機(jī)室振動(dòng)烈度數(shù)據(jù)均小于1.8 mm/s，同時(shí)測(cè)得振動(dòng)頻率最大還是約8 Hz，與修改前比較變動(dòng)不大。測(cè)試數(shù)據(jù)全部滿足規(guī)范要求，振動(dòng)烈度達(dá)到ISO2372標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)門式起重機(jī)司機(jī)室振動(dòng)的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)和模擬仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，振動(dòng)主要是起升機(jī)構(gòu)振動(dòng)激勵(lì)引起的共振產(chǎn)生的。因司機(jī)室機(jī)構(gòu)無法改造，僅對(duì)司機(jī)室支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。通過模擬仿真和實(shí)際測(cè)試得知，在外界激振作用下，對(duì)振動(dòng)部件作外部支撐加強(qiáng)，對(duì)振動(dòng)頻率影響不大，而對(duì)降低振動(dòng)部件的振動(dòng)烈度效果明顯。因此該技改方案對(duì)降低司機(jī)室振動(dòng)烈度有顯著作用，達(dá)到了改造效果，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

[1] 王文斌，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 張質(zhì)文，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國鐵道出版社，1998.