孔祥順

武漢理工大學物流工程學院

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某港裝船機結構振動分析及修復方案

孔祥順

武漢理工大學物流工程學院

以某港裝船機振動異常部位為主要研究對象，對裝船機具體部位振動異常的原因進行了分析，提出了相應的修復設計方案，并根據(jù)某港裝船機的結構和受力特點，從操作和管理方面給出對策建議。

裝船機； 后伸臂； 振動； 設備管理

1　前言

裝船機是用于散貨碼頭裝船時使用的大型散料機械。隨著現(xiàn)代海洋運輸?shù)母咚侔l(fā)展， 裝船機作為散貨碼頭的重要裝船和輸送設備，其性能優(yōu)劣將對整個散貨運輸?shù)墓に囅到y(tǒng)及生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大影響。裝船機主要包括主體結構及尾車兩部分，主體結構直接與貨船關聯(lián)，實現(xiàn)貨物從岸邊到貨船上的裝船作業(yè)，尾車部分則關聯(lián)岸邊貨物與裝船機主體結構部分，通過尾車中的帶式輸送機，實現(xiàn)貨物從取料機械到裝船機主機之間的傳輸作業(yè)。裝船機取料時本身所受到的外力載荷并不是很大，主要是受到靜態(tài)均布載荷，而振動主要是來源于皮帶驅(qū)動及裝船機的支腿受力不均。

某港裝船機總體設計上是根據(jù)水位、船型、碼頭軌道高度、軌距、碼頭皮帶機的高度、位置、車輛通過凈空等來綜合考慮的。由于裝船的船型變化較大，為了作業(yè)時盡可能減少大車的行走動作，本裝船機采用了臂架伸縮機構，以便在大車不動的情況下卸料點盡可能覆蓋整個艙口。同時這種結構也給設備本身的維護帶來了便利。另外，為盡可能減輕設備重量，外臂架采用了桁架結構。

某港裝船機承受載荷的特點為連續(xù)、重載、交變，其承受載荷大多來自于自重載荷。其載荷類型主要為均布載荷和集中載荷，根據(jù)裝船機各部位具體結構分析，裝船機上的皮帶機驅(qū)動裝置會對裝船機本身施加集中載荷，受集中載荷的部位很可能會導致其局部結構剛度不足，進而導致其振動異常[1-2]。

2　故障現(xiàn)象

某港裝船機主臂俯仰運行時，觀測到司機室和皮帶驅(qū)動機構以及下方的后伸臂鋼結構振動劇烈。針對此情況，對此裝船機進行了各個方面的檢測，在靜態(tài)應力、動態(tài)應力、金屬結構裂紋、焊縫以及其他零部件檢測中均未發(fā)現(xiàn)異常情況。另外，在裝船機的3個位置進行了振動測量。本測量檢測主臂俯仰過程中各部位的振動加速度和振動頻率，以便了解各部位的振動強度，確定振動頻率。根據(jù)采集到的時域信號圖可以確定其為噪聲信號，即在此信號圖中很難得出有用的信息，故我們將其進行快速傅里葉變換(FFT)，得出信號的頻譜函數(shù)圖像[3]。根據(jù)所得的3個測點8個方向的頻域信號圖，發(fā)現(xiàn)皮帶機驅(qū)動電機機殼和皮帶機驅(qū)動電機下方的工字梁兩個測點Z軸方向的最大能量的振動信號頻率均為473.1 Hz，由此得出皮帶機驅(qū)動機殼和皮帶機驅(qū)動電機下方的工字梁在Z軸方向存在共振現(xiàn)象。另外，由于驅(qū)動電機下方的工字梁本身并不會產(chǎn)生振動，那么可以確定驅(qū)動機構是裝船機的一個較大的振源，裝船機后伸臂受到驅(qū)動機構本身的重力和驅(qū)動皮帶產(chǎn)生的張力。由此可知，很可能由于裝船機后伸臂結構設計方面的一些缺陷導致其振動過大。

3　原因分析

某港裝船機的后伸臂結構實際上是一個鋼結構平臺，此鋼結構平臺由兩條主梁以及兩條次梁等組成。在主梁和次梁上鋪著一層面板。在此鋼結構平臺上，布置著卷筒、皮帶機、減速器、制動器和電機等結構，卷筒驅(qū)動機構的重量由兩個螺栓座承載，故整個卷筒驅(qū)動機構的重量便在兩個螺栓座位置的中心，即剛好在主梁結構上，而皮帶機在皮帶傳動方向的張力也會對鋼結構平臺的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。此外，平臺上的制動器也會產(chǎn)生制動力矩。副梁的布置主要考慮鋼結構平臺的受力情況，在受力相對較大的部分即皮帶驅(qū)動的位置布置了一條次梁?？紤]到整體結構布置的合理性，在平臺的另外一端也附加布置了一條次梁。在鋼結構平臺的周邊還布置了一些角鋼以及走道、欄桿、格柵等結構，便于工作人員在其上進行工作。從整體上來看，此后伸臂鋼結構平臺可以簡化為一懸臂梁結構，在此結構上施加著皮帶驅(qū)動的重力以及皮帶在驅(qū)動過程中產(chǎn)生的張力，通過這樣的工況簡化便可更好地分析后伸臂結構。

針對簡化工況利用ANSYS軟件進行分析。工字型截面主梁的翼緣板截面尺寸為280 mm×10 mm，腹板尺寸為450 mm×10 mm，懸臂梁的長度為4.3 m，在距離懸臂自由端1 m處施加垂直向下的力以及與懸臂端方向相反的力，進而對此進行求解。由ANSYS受力計算結果可知，此懸臂梁的應力值明顯超出正常范圍，需要考慮采取相應的措施增強其剛度[4]。

在類似工作狀況下，有幾種增強懸臂梁結構的剛度的方法。

(1)對懸臂梁的截面進行重新設計。 此種方法又可分為兩種情況，一種是對工字形截面梁的腹板形狀進行重新設計，即可考慮使用工字鋼加圓管形狀的截面梁；另一種是對截面梁的整個結構進行加粗。不過，結合某港裝船機后伸臂具體案例，如果采用改變主梁截面形狀的方法，則意味著要將整個鋼結構平臺重新改造，費時費力，可操作性較差[5]。

(2)對懸臂梁添加斜支撐梁或斜拉梁。這種方法是應對此類問題最常規(guī)的做法，但是此方法也有一個明顯的缺陷，即對長度很長的懸臂梁效果不是很明顯，且耗費大量材料成本和施工成本。

(3)在驅(qū)動電機下方增加彈簧或緩沖墊。根據(jù)設備的安裝情況，發(fā)現(xiàn)在驅(qū)動電機下方增加緩沖裝置非常困難，安全性也也得不到保障。并且，如果添加了緩沖墊，很可能會導致整體結構對中性下降，導致另外一個方向出現(xiàn)過大振動，故此種方案也不適合用于本課題。

綜合上述幾種增強結構剛度的方法，結合工程實際狀況，決定在鋼結構平臺下方添加斜支撐梁。在實際工程中，在條件允許的情況下，要盡量減小斜支撐的截面，同時增加斜支撐的數(shù)量，這樣在增加結構相同的抗側剛度時其經(jīng)濟性更強。故選擇在兩條主梁下方分別添加一條斜支撐梁，兩條斜支撐梁位置相互平行。斜支撐梁為箱型截面梁，翼緣板的截面尺寸為300 mm×8 mm，腹板的截面尺寸也為300 mm×8 mm。焊接部位確定為懸臂梁固定端下方約1.8 m處和距離懸臂梁自由端約1 m處主梁下方，以達到增強整體結構剛度、減小結構振動的目的。

4　修復方案

修復方案為：在立柱上預計焊接位置焊接一塊厚度為16 mm的連接板(700 mm×500 mm)，對此連接板采用圍焊和塞焊相結合的方法，即采用圍焊的方法將支撐梁焊接在連接板上。在主梁下方焊接箱型支撐梁也采用類似的方法，連接板尺寸為1100 mm×500 mm，由于焊接部位相對特殊，需要采用仰焊的方法，施焊難度相對較大。焊接方法為CO2氣體保護焊，此種焊法能夠有效減少焊接變形。另外，對新的焊縫要進行無損檢測，保證焊縫質(zhì)量。

針對擬定的修復方案，利用ANSYS軟件對修復結構進行仿真分析，根據(jù)修復方案中相應的設計尺寸添加一條箱形截面斜支撐梁，模擬結果證明添加箱型截面斜支撐梁的修復方案是合理的。

5　設備管理對策

針對某港裝船機結構缺陷這一具體案例，從設計計算的角度對其提出相應的設備管理對策。

在設計前，需要確定用戶需求，在總體上了解設計內(nèi)容的可行性與經(jīng)濟性；在規(guī)劃與初步設計階段，對所要設計的設備進行市場分析以及可行性研究，同時明確用戶的使用要求和設備的維修性、相關設計準則和后勤計劃；進入正式的初始設計階段，需要對整體系統(tǒng)進行分析、優(yōu)化以及綜合，并且要對其進行必要的技術設計、后勤分析及預測，最后需要用戶對其進行確認；到了細節(jié)設計階段，需要對系統(tǒng)的細節(jié)進行設計以及評審，最終還要對系統(tǒng)進行試驗與鑒定。在用戶審查過程中，設計計算書和相應的圖紙需要讓用戶來進行審閱；最后進行第三方驗收。從計算方面來預防和控制結構設計缺陷， 避免荷載計算的錯誤，如果忽略一些不可簡化的受力情況，譬如將皮帶產(chǎn)生的張力略去，就很可能導致最后設計出的結構剛度不夠；材料的泊松比等參數(shù)要合理估計，不能盲目根據(jù)經(jīng)驗隨意擬定數(shù)值計算。

6　 結語

在結構缺陷分析方面，對后伸臂結構的設計缺陷，根據(jù)現(xiàn)場觀察，其他結構也有類似的可能導致裝船機運行不良的問題，比如平衡梁結構、伸縮臂外桁架構件腹桿等也存在著剛性不足的問題，也需要采取相關方法進行加強。

[1]李曉軍，裝船機的布置與結構特點[J]. 重工與起重技術，2015(4)，18-19.

[2]欒天嶺,金伯鈞. 裝船機尾車前支腿振動故障分析及改造[J]. 礦山機械,2005,11:108-109.

[3]靳玉川. 黃驊港SL6裝船機振動改造方案[J]. 硅谷,2011,15:191-194+166.

[4]魏恒州. 國外散糧裝船機及裝船碼頭工藝布置[J]. 港口裝卸,1995,01:31-34.

[5]高崇金. 裝船機俯仰機構計算和L架結構有限元分析[J]. 機械工程師,2014,08:180-183.

[5]朱同坤. 運用狀態(tài)檢測技術解決裝船機的振動問題[J]. 起重運輸機械,2007,04:67-72.

Structural Vibration Analysis of the Ship Loader and its Repair Plan

Kong Xiangshun

School of Logistics Engineering of Wuhan University of Technology

Aiming at study of the abnormal vibration part of the ship loader in a port, the specific causes of abnormal vibration has been examined. Based on the qualitative analysis, the corresponding repair plan has been devised. From the structural and loading characteristics of the ship loader, the detailed strategy and suggestion are put forward from the view of the operation and management.

ship loader; rear outrigger; vibration; equipment maintenance

2016-07-07

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.016

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