陳紅艷，朱龍彪，郭東軍，張一輝，陳洪良

CHEN Hong-yan1, ZHU Long-biao1, GUO Dong-jun1, ZHANG Yi-hui2, CHEN Hong-liang2

（1.南通大學(xué)，南通 226019；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院，南通 226000）

0 引言

門座式起重機是現(xiàn)代化港口和船廠機能作業(yè)的重要設(shè)備，隨著社會經(jīng)濟(jì)的增長及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，門座式起重機正向大型化、重載化、高速化方向發(fā)展，其安全健康性能面臨著巨大的挑戰(zhàn)，作為極易發(fā)生重大安全事故的特種作業(yè)機械，一旦發(fā)生事故，對安全生產(chǎn)形勢和人民的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅[1]。起重機的金屬結(jié)構(gòu)支承著各個工作機構(gòu)及自重并起著傳遞載荷的作用，其健康性非常重要。因此，起重機健康檢測非常必要也迫在眉睫[2]。進(jìn)行起重機健康檢測時，傳感器布設(shè)的位置與數(shù)量會對結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。為了使有限數(shù)量的傳感器能獲取最全面最可靠的結(jié)構(gòu)健康狀況信息，必須對傳感器進(jìn)行最優(yōu)布設(shè)。因此，以MQ2533門座式起重機為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS對其整機進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度分析，確定出MQ2533門座式起重機應(yīng)力應(yīng)變最大部位，并通過歷史故障分析統(tǒng)計確定了起重機的危險點，優(yōu)化了傳感器測點在起重機上的布置，為起重機的健康檢測提供了保障。

1 MQ2533門座式起重機概述

MQ2533門座式起重機是現(xiàn)代化港口和船廠機能作業(yè)的常用重要設(shè)備之一，其構(gòu)造可以分為兩大部分：上部旋轉(zhuǎn)部分和下部運行部分，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[3]。

MQ2533門座式起重機額定起重量為25000kg，最大工作幅度為33米，在吊鉤工況下，22米幅度內(nèi)，可起吊40000kg重的貨物，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 MQ2533門座式起重機平面示意圖

表1 MQ2533門座式起重機主要性能參數(shù)表

2 門座式起重機有限元模型的建立

對MQ2533門座式起重機整機進(jìn)行建模。建模做了一定的簡化，詳細(xì)做出主結(jié)構(gòu)，像樓梯、機房等則忽略不在模型中表現(xiàn)。

1）用箱形結(jié)構(gòu)模擬象鼻梁；

2）鉸接軸用節(jié)點耦合的方法模擬；

3）忽略所有平臺、隔板等。

2.1 單元屬性及網(wǎng)格劃分

根據(jù)門座式起重機的主要結(jié)構(gòu)特征，選用三維梁單元BEAM188和質(zhì)量單元MASS21建立整機模型。MQ2533門座式起重機主結(jié)構(gòu)的材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235和Q345，其中，象鼻梁、主臂架、人字架、轉(zhuǎn)盤的材質(zhì)均為Q345，大拉桿、小拉桿、平衡梁、圓筒體、橫梁和端梁的材質(zhì)為Q235。定義材料屬性為彈性模型E=2.06×1011，泊松比μ=0.3，密度為ρ=7.85×103kg/m3。網(wǎng)格劃分如圖2所示，共劃分單元總數(shù)為梁單元422個，質(zhì)量單元20個，節(jié)點總數(shù)為462個。

圖2 MQ2533門座式起重機網(wǎng)格節(jié)點圖

2.2 載荷工況

在選擇工況時，選取對門座式起重機最為不利的工況來分析門座式起重機在相應(yīng)工況下應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，找出應(yīng)力應(yīng)變最大部位，并作為布置傳感器測點的依據(jù)。計算工況選擇如表2所示。

表2 計算工況選擇表

施加載荷為相應(yīng)工況下的額定最大載荷。施加的載荷包括基本載荷和附加載荷，基本載荷主要有自重載荷（包括起重機的結(jié)構(gòu)自重和司機室、機房電氣自重等，但不包括吊鉤重量）、起升載荷和慣性載荷附加載荷主要是工作狀態(tài)的最大風(fēng)載和偏擺載荷自重具有動載效應(yīng)，即自重載荷會由于起升質(zhì)量的突然起升或下降而產(chǎn)生與其加速度方向相反的沖擊作用，這種作用可以通過自重振動系數(shù)乘以計算。同時，傳動機構(gòu)和承載結(jié)構(gòu)也會因起升質(zhì)量的突然起升或下降而產(chǎn)生附加動載荷的作用，這種作用可以通過起升動載系數(shù)乘以計算。自重載荷、慣性載荷通過加速度加載，風(fēng)載荷折算成慣性載荷，起升載荷、偏擺載荷作為集中載荷加載。

LS為吊鉤重量：LS=1250kg。

起升載荷PQ按表3進(jìn)行計算。

表3 不同幅度下的額定起重量

P1為由行走引起的慣性力，通過運行加速度施加：行走速度v=25m/min=0.417m/s，加速時間t=3s，加速度a=0.417/3=0.14m/s2；

P2為旋轉(zhuǎn)慣性載荷及離心載荷，通過回轉(zhuǎn)加速度施加：旋轉(zhuǎn)速度n=1.5r/m，制動時間t=5s，旋轉(zhuǎn)加速度a=1.5×2×1.5/60/5=0.047r/s2；

施加的位移約束如表4所示，位移約束為自由度約束，通常在模型的邊界上施加。

表4 模型約束

其中，UX,UY,UZ為沿X,Y,Z軸方向的位移，ROTX,ROTY,ROTZ為繞X,Y,Z軸方向的轉(zhuǎn)動自由度?！?”表示該自由度被約束。

3 有限元計算結(jié)果與分析

分別按上述四種工況對建立的MQ2533門座式起重機模型進(jìn)行靜力分析，找出門座式起重機每種工況下主要結(jié)構(gòu)部件（象鼻梁、主臂架、大拉桿、小拉桿、人字架、平衡梁、轉(zhuǎn)盤、圓筒體、橫梁、端梁）的應(yīng)力最大位置，得出各工況下整機應(yīng)力云圖及關(guān)鍵部位應(yīng)力最大位置。

圖3給出了四種工況下整機應(yīng)力云圖，計算結(jié)果表明，應(yīng)力應(yīng)變值較大部位主要位于象鼻梁、臂架、人字架、轉(zhuǎn)臺、支撐圓筒以及拉桿部位，各主要結(jié)構(gòu)部件最大應(yīng)力出現(xiàn)位置如表5所示。

圖3 四種工況整機應(yīng)力云圖

表5 主要結(jié)構(gòu)部件最大應(yīng)力出現(xiàn)位置

4 傳感器測點的布置

為使檢測更加可靠有效，測點的選擇遵循以下基本原則[4]：

1）測點的選擇應(yīng)具有代表性，應(yīng)為常見故障點及理論分析計算關(guān)鍵點；

2）測點可全面客觀的切實反映起重機的健康狀況；

3）測點的位置應(yīng)便于監(jiān)測與維護(hù)工作的安全進(jìn)行。

通過對門座式起重機金屬結(jié)構(gòu)故障統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其故障點主要發(fā)生在以下部位：

1）臂架：門座式起重機經(jīng)常出現(xiàn)臂架折斷的情況，臂架中部小拉桿支撐點前上翼緣板非常容易出現(xiàn)疲勞裂紋現(xiàn)象；

2）象鼻梁：象鼻梁頂端靠近吊鉤滑輪組處焊縫較多且經(jīng)常承受動載荷，裂縫容易擴張；

3）平衡梁：平衡梁整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均勻，但在其根部與平衡拉桿連接處應(yīng)力較大；

4）圓筒體：圓筒體曾出現(xiàn)大范圍開裂的情況，其危險點主要在上下根部；

5）大小拉桿、轉(zhuǎn)盤、人字架等。

各部位故障比例如表9所示。

表6 門座式起重機金屬結(jié)構(gòu)各部位故障比例

所以，參考有限元分析計算結(jié)果，并通過以往起重機故障點統(tǒng)計分析及起重機特檢人員從業(yè)經(jīng)驗，將測點分別布置在如圖4所示位置。

圖4 測點布置圖

5 結(jié)束語

起重機的健康檢測是關(guān)系到安全生產(chǎn)形勢和人民的生命財產(chǎn)的重大問題，而傳感器測點的優(yōu)化則是起重機健康檢測的關(guān)鍵所在。借助有限元軟件ANSYS對MQ2533門座式起重機進(jìn)行建模與結(jié)構(gòu)強度分析，確定出MQ2533門座式起重機應(yīng)力應(yīng)變最大部位，并通過歷史故障分析統(tǒng)計確定了起重機的危險點，優(yōu)化了傳感器測點在起重機上的布置，對起重機的健康檢測具有重要的意義。

[1] 顧迪民.起重機械事故分析和對策[M].北京：人民交通出版社, 2001.

[2] 陳紅艷,朱龍彪,張一輝,等.門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,2013,35(9)：58-61.

[3] 陳紅艷.門座式起重機安全健康監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究[D].江蘇：南通大學(xué),2013.

[4] 陳文.基于在線監(jiān)測的門座式起重機維修決策支持系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2011.