王寶家，殷晨波，馬 峰

（南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，南京 211800）

0 引言

造船門式起重機廣泛應(yīng)用于船廠安裝作業(yè)，其額定起重量從幾噸到幾百噸。造船門式起重機以間歇、重復(fù)的工作方式，將重物通過起重吊鉤或其他吊具懸掛在承載構(gòu)件（如鋼絲繩、鏈條等）上進(jìn)行起升、下降、或升降與運移的機械設(shè)備，其最大特點是短周期的循環(huán)作業(yè)[1,2]。然而造船門式起重機在提高效率，節(jié)省人力的同時，也存在著巨大的安全隱患。其中典型的事故工況有超載和碰撞。超載會引起造船門式起重機的整機傾覆；主梁彎曲，主梁下蓋板疲勞斷裂；鋼絲繩斷裂，負(fù)載墜落。碰撞會是柔性支腿失穩(wěn)、疲勞斷裂，從而導(dǎo)致整機傾覆或倒塌。因此，對于造船門式起重機進(jìn)行事故再現(xiàn)仿真非常有意義。本文以300t-43mA型雙梁造船門式起重機為研究對象，對超載和碰撞進(jìn)行了模擬仿真，分析了運動過程中各部位力的情況，為造船門式起重機安全操作、研究以及評估提供了技術(shù)支持。

1 造船門式起重機的有限元模型

本文以300t-43mA型雙梁造船門式起重機為研究對象，它主要由主梁、柔性支腿、剛性支腿、大車、上小車、下小車組成，上跑車和下跑車上裝有起升機構(gòu)和運行機構(gòu)，將貨物吊起后可以沿著主梁上的布置的軌道前后運行。造船門式起重機作業(yè)最大空間即上跑車和下跑車運行以及起升機構(gòu)的升降動作形成立體狀態(tài)的空間范圍。在PRO/E中對起重機進(jìn)行參數(shù)化建模，遵循結(jié)構(gòu)簡化原則以及結(jié)合部特性參數(shù)的融合技術(shù)，以便提高有限元計算的精度。然后將三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，并進(jìn)行對模型進(jìn)行相應(yīng)的約束以及施加載荷，建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 門機虛擬樣機模型

2 事故仿真再現(xiàn)

造船門式起重機的事故眾多，如超載實驗，風(fēng)載試驗，碰撞試驗，墜落試驗等，但是基于實際試驗難以完成這些事故工況，故采用虛擬實驗來完成。表1為典型性的事故工況。

2.1 超載試驗

負(fù)載滿載150t，使用step函數(shù)設(shè)置負(fù)載載荷繼續(xù)增大，如圖2所示，電機驅(qū)動力矩隨之增大，鋼絲繩最終疲勞斷裂，利用仿真描述模擬。

表1 造船門式起重機兩種典型工況

圖2 載荷變化曲線

1）鋼絲繩拉力

圖3 鋼絲繩拉力曲線

由圖3得到，在0～4s時，隨著負(fù)載載荷的不斷增大，鋼絲繩的拉力也隨之增大，在4s時，由于吊重載荷超過了鋼絲繩的抗拉強度，鋼絲繩最終疲勞斷裂，拉力變?yōu)?，負(fù)載墜落。仿真過程中，鋼絲繩拉力的最大值達(dá)到1.76×106N，而在滿載平穩(wěn)狀態(tài)下的拉力為1.47×106N，鋼絲繩的動載系數(shù)約為1.76/1.47=1.19，這對鋼絲繩的合理選用具有一定的參考意義。

2）小車輪接觸力

圖4 小車輪接觸力曲線

由圖4得到，在0～4s時，隨著負(fù)載載荷的不斷增大，小車輪接觸力也不斷增大，在4s時，鋼絲繩斷裂，小車輪突然卸去了負(fù)載產(chǎn)生的接觸力，最后在空載穩(wěn)定的狀態(tài)下，雖然左右端小車輪與軌道的接觸力都大于0，但兩端的接觸力并不平衡，表明小車有橫向傾覆的趨勢。

3）大車輪接觸力

圖5 大車輪接觸力曲線

由圖5得到，與小車輪情況類似，在0～4s時，負(fù)載載荷的不斷增大致使大車輪接觸力也不斷增大，在4s時，鋼絲繩斷裂，大車輪突然卸去了負(fù)載產(chǎn)生的接觸力，最后在空載穩(wěn)定的狀態(tài)下，前端車輪與軌道的接觸力大于后端車輪與軌道的接觸力，且均大于0，表明后輪有抬起的趨勢，但沒有脫離軌道，整機有縱向傾覆的可能性。

通過以上分析說明，由于操作者目測估算設(shè)備重量失誤，起重機未設(shè)置起重量限制器，導(dǎo)致鋼絲繩斷裂，負(fù)載墜落，其危害性極大。因此可采用相應(yīng)的事故預(yù)防措施：提高起重機整體穩(wěn)定性的設(shè)計安全裕度；提高目測估算吊載重量的能力與技巧，力求準(zhǔn)確；安裝起重量超載限制器。

2.2 負(fù)載碰撞柔性支腿試驗

本工況造船門式起重機在吊裝過程中碰撞到柔性支腿內(nèi)側(cè)，柔性支腿受到?jīng)_擊載荷，產(chǎn)生失穩(wěn)，將負(fù)載與柔性支腿施加接觸碰撞約束。

1）小車速度

圖6 小車速度曲線

由圖6得到，當(dāng)負(fù)載未與柔性支腿發(fā)生碰撞時，小車基本以額定運行速度（約333mm/s）向柔性支腿端運動，當(dāng)負(fù)載與柔性支腿發(fā)生碰撞時，小車受到?jīng)_擊，速度減小，表明碰撞對整機都有不同程度的影響。

2）碰撞力

圖7 碰撞力曲線

由圖7得到，當(dāng)負(fù)載與柔性支腿發(fā)生碰撞時，碰撞瞬間產(chǎn)生巨大的碰撞力，最大值約為2.57×106N，這對于支腿受沖擊時的穩(wěn)定性分析提供了數(shù)據(jù)支撐。

3）大車輪接觸力

圖8 大車輪接觸力曲線

由圖8得到，隨著小車吊重物逐漸向柔性支腿端運動時，柔性支腿端大車輪與軌道的接觸力逐漸增大，而剛性支腿端大車輪與軌道的接觸力逐漸減小。當(dāng)負(fù)載與柔性支腿碰撞時，柔性支腿端大車輪與軌道的接觸力增大到2.13×106N，剛性支腿端大車輪與軌道的接觸力減小到3.31×105N，由于碰撞產(chǎn)生的慣性，起重機有橫向傾覆的趨勢。

通過以上分析說明，由于負(fù)載過長，吊點位置不當(dāng)，沒有調(diào)整好最佳吊裝位置，在吊裝過程中，負(fù)載沿主梁橫向移動，碰撞到支腿內(nèi)側(cè)，整機有橫向傾覆的趨勢。因此，對起重機操作人員，必須進(jìn)行技術(shù)和安全培訓(xùn)，使其正確對各種物件進(jìn)行安全的吊運工作；起重機在吊運長構(gòu)件時，應(yīng)采用專用的釣具，防止吊運過程中偏斜、擺動，保證負(fù)載在起升下降、左右橫行及前后縱行中的穩(wěn)定性，消除安全隱患。

3 結(jié)束語

本文以300t-43mA型雙梁造船門式起重機為研究對象，基于Pro/E和ADAMS軟件建立了造船門式起重機的有限元模型，并對其進(jìn)行了超載和碰撞的事故再現(xiàn)仿真，得到了兩種典型事故下的大小車接觸力，鋼絲繩拉力以及負(fù)載碰撞柔性支腿的力隨時間的變化情況，為造船門式起重機安全操作、研究以及評估提供了技術(shù)支持。

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