鄭夕健，時海洋，常曉華，劉 旭

（1.沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003）

屋面軌道式擦窗機起升動載系數(shù)分析

鄭夕健1，時海洋1，常曉華2，劉 旭1

（1.沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003）

以CWGS250屋面軌道式擦窗機為研究對象，通過ANSYS軟件建立擦窗機整機有限元模型，對整機進行模態(tài)和瞬態(tài)動力學(xué)分析，得出前五階振型、不同起升時間下的時程位移曲線及起升動載系數(shù)，通過與國內(nèi)外規(guī)范進行對比，確定了合理的起升時間及起升動載系數(shù)，為擦窗機的使用和設(shè)計提供理論參考。

擦窗機；瞬態(tài)動力學(xué)分析；起升動載系數(shù)；ANSYS軟件

擦窗機在工作時需要頻繁的對吊重進行起升和下降作業(yè)，當(dāng)?shù)踔剡\動狀態(tài)發(fā)生改變時，會對承載結(jié)構(gòu)和傳動機構(gòu)產(chǎn)生附加動載荷作用，引起整機的不穩(wěn)定振動，這種動載荷是擦窗機設(shè)計中所要考慮的重要載荷之一，但新版國標(biāo)擦窗機中并未對擦窗機的起升動載系數(shù)給予明確的數(shù)值，而是按照起重機設(shè)計標(biāo)準中的數(shù)值規(guī)定的，因此對于擦窗機而言，起升動載系數(shù)的取值是一個值得探討的問題。

本文以CWGS250屋面軌道式擦窗機為研究對象，結(jié)合整機結(jié)構(gòu)及承載能力，針對起升機構(gòu)在懸吊過程中的突然起升或下降，應(yīng)用ANSYS軟件，建立整機有限元模型，通過模態(tài)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析，得出擦窗機起升動載系數(shù)，為擦窗機同類產(chǎn)品的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 整機有限元模型

以CWGS250屋面軌道式擦窗機為研究對象（圖1），對整機系統(tǒng)建立計算模型。

圖1 屋面軌道式擦窗機結(jié)構(gòu)簡圖

該型號擦窗機主要性能參數(shù)如下。

起升高度（m） 173

吊船額定載荷（kg） 250

起升速度（m/s） 0.17

吊臂伸出長度（m） 15.2

輪距（m） 2

軌距（m） 2

1.1 模型的基本假設(shè)

擦窗機結(jié)構(gòu)的主要組成有：行走機構(gòu)、底架、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、起升機構(gòu)、立柱、配重、基臂、二節(jié)臂、一節(jié)臂、羊角臂頭等。在有限元建模中，通常必須對實體進行一些合理的簡化，本文為了便于分析并能反映結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)，對模型進行如下簡化處理。

1）不考慮焊縫材料特性的變化，認為焊接質(zhì)量可靠。

2）用等效質(zhì)量單元代替吊臂前端的傾覆荷載（含羊角臂頭、鋼絲繩、吊籃等自重）及抗傾覆荷載（配重的自重）。

3）忽略結(jié)構(gòu)中直徑尺寸小于10mm的圓角及較小的倒角。

4）擋板間用銷軸連接處、兩臂搭接處的前托輪后尾輪導(dǎo)向輪均建立耦合以模擬連接，立柱與底架連接處做剛化處理以模擬實際結(jié)構(gòu)。

5）忽略對結(jié)構(gòu)整體強度、剛度影響較小的部件和裝置。

1.2 模型的建立

本文所研究的擦窗機吊臂采用齒輪齒條傳動，各節(jié)臂、連接板、立柱和底架均屬于薄板類型，根據(jù)擦窗機結(jié)構(gòu)的特點，選用shell63，Mass21單元類型，整機主體材料為Q345，前托輪和后尾輪材料為45號鋼，其密度為7.8e-9t/ mm3，彈性模量2.1e5MPa，泊松比取0.3，有限元規(guī)模為：節(jié)點數(shù)24 319個，單元數(shù)23 889個。整機有限元模型如圖2所示。

圖2 整機有限元模型

2 整機模態(tài)分析

模態(tài)分析是瞬態(tài)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，由振動理論可知，對于一個多自由度振動系統(tǒng)，系統(tǒng)低階固有頻率對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)影響較大，而高階固有頻率則影響較?。?］。ANSYS軟件中，共有7種提取模態(tài)的方法，其中最常用的為Block Lanczos法和Subspace法，由于Block Lanczos法適宜提取復(fù)雜模型的模態(tài)，且具有很高的效率和精度，因此本文采用該方法來進行模型的模態(tài)求解，本文只提取起重臂的前五階模態(tài)，實際分析設(shè)計中，可以根據(jù)需要獲取模態(tài)階次。擦窗機前五階頻率如表1所示，振型圖如圖3所示。

表1 各階模態(tài)頻率

圖3 前五階振型圖

由振型圖可知，擦窗機整機結(jié)構(gòu)第一、二、四階振型主要為伸縮臂在水平面的振動，第三階振型主要為伸縮臂在起升平面的振動，第五階振型主要為伸縮臂沿起升平面的彎扭。總體來看，擦窗機整機結(jié)構(gòu)為一低頻振動系統(tǒng)，吊船起升時的沖擊容易引起結(jié)構(gòu)共振，因此，合理的起升對整機安全性有重要意義［7］。

3 起升動載系數(shù)分析

3.1 時程位移曲線

吊船起升時，吊船質(zhì)量以集中力的形式施加到伸縮臂前端，從而可得吊船在整個起升過程中對吊臂的沖擊加載過程［5］，如圖4所示。

圖4 擦窗機所受沖擊載荷

則吊船在整個離地起升過程中對擦窗機的沖擊載荷P（t）可用下式來進行表示

式中 P0——起升載荷；

t0——為起升時間。

本文中分別取吊船起升時間t0=0.1s、0.2s、0.3s、0.5s、1s，t1=2s的時間完成整個起升過程，采用約簡矩陣（Reduced Matrices）方法，定義二節(jié)臂臂頭起升方向為主自由度，以零載荷和額定載荷分兩步施加載荷并定義時間增量，通過ANSYS的后處理器POST26，得到擦窗機額載起升工況下，二節(jié)臂臂頭垂直方向的時程位移曲線，圖5a給出了t0取0.1s的時程位移曲線，圖5b給出了t0分別取0.2s、0.3s、0.5s和1s的時程位移曲線。

由圖5可知，在起升載荷激勵下，擦窗機二節(jié)臂臂頭處產(chǎn)生明顯的振動，其最大振幅均出現(xiàn)在t0附近，隨著起升時間的增加，最大振幅逐漸減小，在阻尼的作用下，振幅趨于平穩(wěn)。

圖5 擦窗機時程位移曲線

3.2 起升動載系數(shù)的計算

通常用起升載荷動載系數(shù)乘以額定起升載荷來表示起升動載荷的大小。其中，起升動載系數(shù)值由下列公式確定［3］。

式中 δd——為吊臂臂端最大動位移；

δs——吊臂臂端最大靜位移。

通過ANSYS后處理器中的List Variables選擇查詢各個起升時間下最大動位移和最大靜位移，并由此可計算出擦窗機起升動載系數(shù)如表2。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，起升時間在0.1～0.2s內(nèi)，起升動載系數(shù)變化顯著，因此對0.1～0.2s的范圍內(nèi)選擇步長0.01s進行細化分析如表3所示。

表2 不同起升時間下的起升動載系數(shù)

由表2和表3中的數(shù)據(jù)，繪制成擦窗機的起升動載系數(shù)與不同起升時間下的關(guān)系圖，如圖6所示。

表3 起升時間在0.1～0.2s內(nèi)起升動載系數(shù)

圖6 起升動載系數(shù)與起升時間的關(guān)系

由表2、表3和圖6可知，起升時間在0.1～1s內(nèi)，起升動載系數(shù)值由1.392下降到1.012，而起升時間在0.1～0.2s內(nèi)，起升動載系數(shù)由1.392下降到1.148，由此可見，在0.1～0.2s內(nèi)起升動載系數(shù)下降顯著，說明在0.1～0.2s內(nèi)擦窗機伸縮臂結(jié)構(gòu)所受的沖擊慣性力較大。

4 起升動載系數(shù)的比較

擦窗機國家標(biāo)準中對于起升動載系數(shù)的規(guī)定是參照起重機而來的，在各個國家的起重機設(shè)計規(guī)范中，均將起重設(shè)備分為四個等級，對不同等級的起重設(shè)備采用不同的計算公式，由于擦窗機離地起升為輕微沖擊，故選取起升等級為HC2，在歐洲搬運協(xié)會標(biāo)準（FEM1.001/1-1987）中φ2的計算由下列公式確定［4］

式中 φ2min—— 與起升級別相對應(yīng)的起升動載系數(shù)最小值，查歐洲搬運協(xié)會標(biāo)準取1.10；

β2—— 按起升狀態(tài)級別設(shè)定的系數(shù)查標(biāo)準取0.34；

vq—— 穩(wěn)定起升速度0.17m/s。

經(jīng)計算擦窗機的起升動載系數(shù)為1.1578。

現(xiàn)將德國工業(yè)標(biāo)準（DIN 15018）和擦窗機（GB 19154-2013）中計算出的起升動載系數(shù)列于表4。

表4 幾種標(biāo)準下的起升動載系數(shù)值

將表3和表4中的結(jié)果統(tǒng)計并進行比較，如表5所示。通過表5可以得知，起升時間在0.2s時，起升動載系數(shù)值為1.148，與FEM 1.001/1-1987相比誤差最小，為0.85% ；起升時間在0.18s時，起升動載系數(shù)值為1.208，與DIN 15018相比誤差最小，為0.30% ；起升時間在0.16s時，起升動載系數(shù)值為1.253，與GB 19154-2013相比誤差最小，為0.24%。

表5 起升動載系數(shù)的比較

5 結(jié) 論

本文以CWGS250屋面軌道式擦窗機為研究對象，通過有限元軟件ANSYS對整機進行模態(tài)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析得出的主要結(jié)論如下。

1）通過對擦窗機整機建立有限元模型，對整機進行模態(tài)分析，得出整機前5階振型及其頻率，由前5階振型圖可知吊船快速起升容易導(dǎo)致整機共振，因此必須合理規(guī)范起升時間。

2）運用ANSYS軟件中的縮減法對整機進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得出在額載起升工況下，不同起升時間的時程位移曲線，結(jié)果表明二節(jié)臂臂頭處的最大位移隨起升時間的增加逐漸減小。

3）通過公式計算出不同起升時間下的起升動載系數(shù)φ2值，給出了起升動載系數(shù)與起升時間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明隨著起升時間的增加，φ2值逐漸減小，在0.1～0.2s內(nèi)，φ2值下降顯著，在0.2～1s內(nèi)，φ2值下降緩慢，說明起升時間在0.1～0.2s內(nèi)起升載荷對擦窗機結(jié)構(gòu)的沖擊較為明顯。

4）通過本文分析所得的起升動載系數(shù) 值與國內(nèi)外標(biāo)準進行對比可知，本文推薦的起升時間和起升動載系數(shù)φ2值見表6，由此可見起升時間在0.16～0.20s范圍內(nèi)較為合理，若起升時間小于0.16s，擦窗機將偏于不安全，若起升時間大于0.2s將影響擦窗機起升效率。本文分析方法能充分體現(xiàn)φ2值隨起升時間的變化情況，擦窗機的使用和設(shè)計提供了理論參考。

表6 本文推薦的起升動載系數(shù)

［1］成 強.輪胎集裝箱門式起重機起升動載系數(shù)的有限元計算［J］.機械制造，2013，（6）：11-13.

［2］師素娟，劉 龑.基于ANSYS的履帶起重機桁架式起重臂模態(tài)分析［J］.建筑機械，2012，（4）：82-84.

［3］成大先.機械設(shè)計手冊（第五版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］夏擁軍，陸念力，羅 冰.關(guān)于水平臂式塔機起升動載系數(shù)的一點討論［J］.工程機械，2005，（1）：32-36.

［5］黃日龍，田家錄，謝家學(xué).擦窗機伸縮臂的振動響應(yīng)分析［J］.江南大學(xué)學(xué)報，2014，（4）：184-188.

［6］沙大亮.平頭塔式起重機起重臂的模態(tài)分析與比較［J］.建筑機械化，2008，（8）：31-33.

［7］董 杰，漆 靜.門式起重機起升過程動態(tài)特性研究［J］.機械設(shè)計與制造，2014，（6）：79-82.

（編輯 賈澤輝）

更 正

2015年第6期（總第317期）第78～80頁《挖掘機進氣系統(tǒng)故障排除案例分析》（作者：郭樂，徐威，張超）一文中，圖3、圖4分別應(yīng)為如下所示。

Analysis of the rail type building maintenance unit on the roof hoisting dynamic load coeffi cient

ZHENG Xi-jian， SHI Hai-yang， CHANG Xiao-hua， LIU Xu

圖3 膠層脫落位置圖

圖4 新的進氣管路

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目（2015-K3-018）

TU976+.42；TM403.1

B

1001-1366（2015）08-0045-05

2015-06-30