邱旭東　張彬彬

摘 要：本文對門座起重機(jī)臂架系統(tǒng)的構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，并在此基礎(chǔ)上對該型號(hào)起重機(jī)進(jìn)行故障影響分析。

關(guān)鍵詞： 門座起重機(jī)；臂架系統(tǒng)；可靠性分析

在一些港口和船舶制造廠里面，往往要用到一種非常常見的器械，那就是門座起重機(jī)，在港口和船舶制造廠里這種設(shè)備是必不可少的，在很多地方都要用到它，利用門座起重機(jī)來對一些重物進(jìn)行搬運(yùn)工作。根據(jù)起重臂的形式不同，可以將門座起重機(jī)分為兩種，一種是四連桿組合臂架式，另一種是單臂架式。很多門座起重機(jī)在實(shí)際的工作中，大多都服役了多年，一些主要的部件出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，這導(dǎo)致了某些部位的材質(zhì)變薄，使得門座起重機(jī)的可靠性降低。本文研究的門座起重機(jī)是組合臂架式的，這種結(jié)構(gòu)臂架下面的空間比較大，在同樣的起升高度要求下，這種起重機(jī)的形式可以用較低的高度來實(shí)現(xiàn)同樣的功能，但是這樣就使得結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，自身的重量也比較大。

四連桿組合臂架由幾種結(jié)構(gòu)組成四連桿機(jī)構(gòu)，這些桿件分別是象鼻梁，扒桿，剛性拉桿等，利用這種結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)水平方向的移動(dòng)，從而可以搬運(yùn)一些需要水平移動(dòng)的重物。對于門座起重機(jī)來說，如果是組合臂架系統(tǒng)的話，它也是由扒桿、象鼻梁、剛性拉桿這幾部分組成，這幾個(gè)構(gòu)件與人字架共同組成一種四桿機(jī)構(gòu)，因此，就將其稱為四連桿組合臂架系統(tǒng)。

1.有限元計(jì)算及結(jié)果分析

門座起重機(jī)臂架系統(tǒng)的每個(gè)構(gòu)件在整體的運(yùn)作中都要發(fā)揮作用，要對各個(gè)部分作出分析需要進(jìn)行大量的計(jì)算，本文中僅以象鼻梁為例進(jìn)行分析，其他部件的分析過程與象鼻梁大致相同。象鼻梁的結(jié)構(gòu)比較簡單，由角鋼、扁鋼、墊圈、鉚釘?shù)炔考?gòu)成，它關(guān)于縱向的截面對稱，這種對稱性可以為計(jì)算帶來一定的便利，只需要對其一半進(jìn)行分析就可以了。

1.1象鼻梁建模

象鼻梁結(jié)構(gòu)呈對稱分布，因此只取其對稱的一半進(jìn)行研究，在某些位置施加位移約束，為了保證計(jì)算的精度要求，在對象鼻梁進(jìn)行單元?jiǎng)澐值臅r(shí)候，主要采取四節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元，另外在某些特殊的部位采用了三個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分單元的時(shí)候，單元的長度是四十毫米，某些局部進(jìn)行了細(xì)化，最后劃分完單元之后，總共有節(jié)點(diǎn)七萬個(gè)，單元65002個(gè)。象鼻梁的有限元模型如下圖所示。

1.2載荷及載荷組合

象鼻梁受到的載荷主要可以分為以下幾種：

（1）象鼻梁結(jié)構(gòu)和其所包含的部件的自重，為了使計(jì)算簡便，認(rèn)為自重是均勻分布在主梁上的；

（2）在進(jìn)行起吊工作時(shí)，還收到吊具本身的重量和重物的重量，我們在計(jì)算的時(shí)候，取臂架最大幅度的位置進(jìn)行，這種情況下可以最大吊起50噸的重量；

（3）在升起和制動(dòng)的時(shí)候，由于垂直慣性力的作用，也使得象鼻梁受到載荷，這與起升的速度、系統(tǒng)的剛度等有關(guān)。

（4）剛性拉桿的自重；

（5）所吊物體的水平慣性力。門座起重機(jī)變幅制動(dòng)和旋轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)， 懸吊物品會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)， 從而使起升繩相對鉛垂線偏擺一定的角度， 從而引起附加的水平力.該力通常用起升鋼絲繩的偏擺角計(jì)算。

1.3計(jì)算工況

根據(jù)起重機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)， 通?？紤]以下幾種工況：

第一種工況：自重作用下象鼻梁強(qiáng)度， 此時(shí)作用載荷只有自重；

第二種工況：起升機(jī)構(gòu)起動(dòng)， 物品突然離地、其它機(jī)構(gòu)均不工作， 此時(shí)， 計(jì)及Ⅱ 類載荷最大動(dòng)力系數(shù)φ′2 （本文取φ′2 =1.3）， 此時(shí)同時(shí)作用的載荷全部在臂架擺動(dòng)平面內(nèi)；

第三種工況：起重機(jī)帶載正常運(yùn)行， 起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)同時(shí)制動(dòng).即計(jì)及起升機(jī)構(gòu)正常制動(dòng)造成的動(dòng)力系數(shù)φ2 （本文取φ2 =1.25）， 吊物以工作狀態(tài)下最大偏擺角αmax內(nèi)偏， 此時(shí)同時(shí)作用的載荷全部在臂架擺動(dòng)平面內(nèi)；

第四種工況：起重機(jī)處于帶載正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)， 起升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同時(shí)制動(dòng).即計(jì)及起升機(jī)構(gòu)正常制動(dòng)引起的動(dòng)力系數(shù)φ2 （本文取φ2 =1.25）以及象鼻梁自重引起的切向慣性力；物品以工作狀態(tài)下最大偏擺角αⅡ 沿垂直臂架方向偏擺.此時(shí)同時(shí)作用的載荷在臂架擺動(dòng)平面內(nèi)。

2.門座起重機(jī)故障影響分析

故障模式與影響分析常記做FEMA， 它是用來確定故障原因的一種方法， 它通過找出系統(tǒng)的潛在故障對系統(tǒng)的影響， 使產(chǎn)品更為完善， 從而提高其可靠度.這種方法可以用于從系統(tǒng)到零件部件的任何一個(gè)層次.FMECA（危害度分析）比FEMA更進(jìn)一步， 它用來分析判斷這種影響的危害度有多大.FMECA不僅用歸納方法對系統(tǒng)的可靠性或者安全性做了定性分析， 而且還給出了近似的定量分析方法.它可以幫助設(shè)計(jì)人員深入了解系統(tǒng)的故障模式、影響及危害的程度， 從而采取措施修改設(shè)計(jì)減少其危害.

采用FMECA方法對臂架系統(tǒng)進(jìn)行定量分析時(shí)各參數(shù)取值及具體結(jié)果詳見下表。

3.結(jié)語

本文分析表明該起重機(jī)在使用過程中存在著一定的安全隱患，為了避免事故的發(fā)生，可以根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果和故障影響分析結(jié)論，對起重機(jī)的關(guān)鍵部位進(jìn)行定期檢查，針對不同的問題，采取相應(yīng)的策略及時(shí)修復(fù)，以保障安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]“M10—33門座起重機(jī)四連桿臂架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究──剛?cè)狁詈隙囿w機(jī)械動(dòng)力學(xué)建?！痹谖錆h通過技術(shù)鑒定[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，03：320.