牛倩

摘 要：針對(duì)龍門起重機(jī)應(yīng)用中存在的問題，比如結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈問題、吊載運(yùn)行穩(wěn)定性差問題，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，探索龍門起重機(jī)作業(yè)過程中出現(xiàn)運(yùn)行問題的原因，并且針對(duì)不同類型的起重機(jī)提出了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)方案。對(duì)龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足整機(jī)重量最小需求，以及滿足模態(tài)固有頻率條件等，作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：龍門起重機(jī)；結(jié)構(gòu)參數(shù)；結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

起重機(jī)屬于大型運(yùn)輸機(jī)械，能夠在復(fù)雜情況作業(yè)。其龍門起重機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特性以及動(dòng)態(tài)特性等，對(duì)龍門起重機(jī)的使用性能，有著較大的影響。傳統(tǒng)的起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要依靠人工設(shè)計(jì)，結(jié)合傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)等方法，具有較大的局限性。隨著起重機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，使得動(dòng)態(tài)工作情況被人們重視與思考，并且對(duì)龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)概述

龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，例如圖1，其為JQ50型號(hào)的龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。主要包括下橫梁與端梁、柔性支腿與剛性支腿、主梁與門框等?，F(xiàn)代龍門起重機(jī)，多采取靜態(tài)設(shè)計(jì)+動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)計(jì)的方法，除了考慮靜態(tài)時(shí)的工作載荷外，還考慮動(dòng)態(tài)載荷，采取添加安全系數(shù)的方式進(jìn)行補(bǔ)償，以此簡化結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以此確保龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠滿足靜強(qiáng)度與靜剛度的需求，但是因?yàn)槿狈?dòng)態(tài)特性分析，難以估計(jì)龍門起重機(jī)動(dòng)態(tài)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，進(jìn)而極易引發(fā)作業(yè)問題，包括整機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)烈以及運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。龍門起重機(jī)的穩(wěn)定性與剛度，與其金屬結(jié)構(gòu)的承受能力，有著直接的關(guān)系，進(jìn)而使得動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)剛度等問題更加嚴(yán)重。當(dāng)彎曲動(dòng)剛度超出標(biāo)準(zhǔn)，則極易造成整機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題，而動(dòng)應(yīng)力超出標(biāo)準(zhǔn)，極易造成結(jié)構(gòu)變形或者損傷問題。當(dāng)跨中動(dòng)移位超標(biāo)時(shí)，則會(huì)造成整機(jī)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2 龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析

2.1 基于Ansys動(dòng)態(tài)分析理論基礎(chǔ)

龍門起重機(jī)作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)問題，其屬于有限個(gè)自由度彈性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)范疇。龍門起重機(jī)的模態(tài)分析，主要目的是明確龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，包括固有頻率與振形，該數(shù)據(jù)信息可以在龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動(dòng)條件下獲取。對(duì)龍門起重機(jī)起升動(dòng)載響應(yīng)進(jìn)行研究，主要是研究危險(xiǎn)工況下整機(jī)系統(tǒng)發(fā)生位移的規(guī)律，以及整機(jī)系統(tǒng)的速度與加速度變化規(guī)律。

2.2 動(dòng)態(tài)分析中龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)常見問題

基于Ansys的模態(tài)分析，則需要構(gòu)建龍門起重機(jī)有限元模型，遵循平衡方程，在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，加入載荷條件，包括零位移約束、壓力、加速度等。某港口使用的是JQ50型號(hào)龍門起重機(jī)，在對(duì)其進(jìn)行安全檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在運(yùn)行不穩(wěn)與明顯振動(dòng)問題，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，根據(jù)對(duì)JQ50型號(hào)龍門起重機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析的結(jié)果來看，能夠獲得以下結(jié)論：（1）JQ50型號(hào)龍門起重機(jī)系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)，隨著時(shí)間的增加，逐漸的轉(zhuǎn)成穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，主要是由于阻尼的作用，使得能量得以消耗，進(jìn)而使得系統(tǒng)難以保持等幅振動(dòng)，產(chǎn)生振幅衰減運(yùn)動(dòng)。（2）使用加速度峰值，來估算此龍門起重機(jī)吊重離地起升時(shí)，其最大結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力，估算結(jié)果為240MPa，超出安全檢測范圍，因此說明此臺(tái)JQ50龍門起重機(jī)，其結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度峰值，要比靜強(qiáng)度條件下，或者穩(wěn)態(tài)條件下所測試出來的數(shù)據(jù)值要大，因?yàn)樵谠S可范圍內(nèi)，所以整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。此龍門起重機(jī)在起升的過程中，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，使得動(dòng)態(tài)衰減時(shí)間被延長[1]。

2.3 龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)問題原因分析

龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)問題以及運(yùn)行不穩(wěn)問題等，其具體原因如下：（1）龍門起重機(jī)的主梁剛度相對(duì)較弱，當(dāng)起重機(jī)大車與小車制動(dòng)以及運(yùn)行時(shí)，則會(huì)造成起重機(jī)整機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)軌跡沿著大車與小車軌道前進(jìn)方向。（2）由于起升的速度較大，進(jìn)而使得起重機(jī)滿載起吊狀態(tài)下，產(chǎn)生較大的激振力，加之動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間較長，進(jìn)而使得起重機(jī)整機(jī)作業(yè)時(shí)，穩(wěn)定性較差。（3）起重機(jī)結(jié)構(gòu)中的支腿或者橫梁等，其綜合剛度均會(huì)影響著起重機(jī)的整體動(dòng)態(tài)性能，造成穩(wěn)定性較差的問題[2]。

3 龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 優(yōu)化算法與準(zhǔn)則

在進(jìn)行起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要明確算法與準(zhǔn)則。優(yōu)化算法指的是在目標(biāo)函數(shù)控制下，最佳的方法，通常采用零階優(yōu)化方法與一階優(yōu)化方法。零階優(yōu)化方法也就是直接法，利用通用函數(shù)進(jìn)行逼近優(yōu)化，即采取最小二乘法逼近，來求取函數(shù)面，擬合解空間，在對(duì)此函數(shù)面進(jìn)行求極，該種算法計(jì)算的速度快，但是優(yōu)化精度不高，是簡單起重機(jī)常用的算法，適用于所有因變量逼近，能夠有效的解決工程問題。一階優(yōu)化方法，也就是間接法，該種方法的運(yùn)用，偏向?qū)?shù)使用，利用因變量的一階偏導(dǎo)數(shù)，不僅優(yōu)化的精讀高，而且能夠適用于因變量變化較大的優(yōu)化方法設(shè)計(jì)，但是此方法的計(jì)算結(jié)果不能夠確保是最佳解。在運(yùn)用零階優(yōu)化方法，進(jìn)行起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，則需要對(duì)Sub-Problem，進(jìn)行粗優(yōu)化，基于子問題優(yōu)化，利用DV Sweeeps掃描法，做二次優(yōu)化，利用兩次優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化。優(yōu)化計(jì)算是動(dòng)態(tài)的過程，需要明確優(yōu)化準(zhǔn)則，以盡快達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員要基于起重機(jī)的實(shí)際情況，來制定優(yōu)化準(zhǔn)則，以確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 基于Ansys的模態(tài)分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

基于Ansys的模態(tài)分析，以JQ50龍門起重機(jī)為例，對(duì)其常見作業(yè)問題，提出對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過改進(jìn)龍門起重機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)以及其他部位，來提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)剛度，同時(shí)合理的控制JQ50龍門起重機(jī)作業(yè)時(shí)的起升速度，進(jìn)而改善起重機(jī)的整機(jī)動(dòng)態(tài)性能。JQ50龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其箱形截面結(jié)構(gòu)剛度與其尺寸有著直接的關(guān)系，根據(jù)以往研究得出JQ50龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸做優(yōu)化處理，利用Ansys的目標(biāo)優(yōu)化功能，對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化等，利用此方法對(duì)JQ50龍門起重機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，將JQ50龍門起重機(jī)的起升速度調(diào)整到16m/min。此方案與以往的靜態(tài)設(shè)計(jì)+動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法相比，能夠在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，能夠?yàn)槠鹬貦C(jī)作業(yè)與管理，提供可靠的依據(jù)，同時(shí)該設(shè)計(jì)方案，基于靜態(tài)設(shè)計(jì)，對(duì)JQ50龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，使得起重機(jī)整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能得以提升，進(jìn)而提高了起重機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性與安全性。但是其與基于NSGA-Ⅱ算法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案相比，難以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，但是較為適用JQ50龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

4 結(jié)束語

龍門起重機(jī)是常用的起重設(shè)備，其在作業(yè)時(shí)，極易出現(xiàn)振動(dòng)問題與穩(wěn)定性差的問題等，主要是在設(shè)計(jì)時(shí)，忽視了動(dòng)態(tài)特性，因此需要優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文中基于不同的動(dòng)態(tài)分析方法，提出了兩種優(yōu)化起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

[1]童水光，王相兵，鐘崴，等.基于BP-HGA的起重機(jī)剛性支腿動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013（01）：122-130.

[2]袁媛，楊正茂，孟文俊.龍門起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化[J].中國機(jī)械工程，2016（19）：2641-2646.

[3]吳卓，周靈聰.基于APDL的龍門起重機(jī)的參數(shù)化建模及諧態(tài)分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（10）：2229-2233.

[4]熊彪，李拔周.基于動(dòng)態(tài)分析的龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2015（12）：87-91.