基于提升载荷的四连杆门式起重机臂架动态特性仿真分析外文翻译资料

基于提升载荷的四连杆门式起重机臂架动态特性仿真分析

Lian Jiang Xu

云南开放大学机电工程学院，昆明650500，中国

【摘要】四连杆门式起重机具有作业效率高、运行成本低、机动性强等优点，广泛应用于港口的运输和堆垛作业中。组合臂作为四连杆门式起重机的核心部件，其设计好坏直接影响到整机的性能^[1]。本文建立了详细的有限元模型，并对各振型进行了计算。对组合臂进行了瞬态动力学仿真，得到了组合臂的动态响应。该方法不仅使臂架在设计阶段得到了动力响应，为疲劳寿命的评估奠定了基础，而且为门式起重机臂架结构的设计提供了理论依据。

【关键词】：组合臂、模态、瞬态动力、疲劳寿命

1.引言

组合臂是四连杆门座式起重机^[2]的主要受力构件，它通过升降机构将重物升降到一定的高度，通过变幅机构改变俯仰角增大工作范围。在设计阶段，通过乘以一定的系数，可以保证臂架的静刚度和强度。但是，由于实际载荷的作用，臂架系统的最大应力和最大应力位置是不断变化的。所以，静态分析是不够的^[3][4]。对臂架系统进行动态分析是十分必要的。本文研究了组合臂在典型工况下的振动特性和动态响应，即在最重要位置提升最大重量。

1.1建立有限元模型

组合臂为箱形，主要由钢板焊接而成。在ANSYS的建模中，所有焊接零件被简化为一个连续的整体。同时忽略了搁架孔和小三角加筋板。采用梁单元189和壳单元181模拟臂架系统的金属构件。采用重力加速度补偿法，消除了建模过程中由于简化而导致的质量变化[5]。力学性能设置如下：（泊松比）mu;=0.3，（弹性模量）E=211GPa，（密度）rho;=7900kg/msup3;。有限元模型简化如下：



图表 1 有限元模型

1.2动态分析

1.2.1.模态理论

模态是结构的一种固有振动特性。模态分析的最终目的是确定固有频率、阻尼比和振型^[6][7]。任何运动都可以看作是其自由振动模态综合的结果。模态分析的实质是在无阻尼、无载荷的情况下求解有限的运动方程模态向量^[8][9]。

系统结构的无阻尼自由振动方程可以表示为：

   [M]｛uamp;amp;｝ [K]｛u｝=0 （1）

式中[M]为结构整体刚度矩阵，[K]为结构总刚度矩阵，｛uamp;amp;｝为结构节点加速度矩阵,｛u｝表示结构位移矩阵。

1.2.2.模态解

根据门式起重机的结构和工作特点，门式起重机通常在低速范围内运行，因此低阶模态对门式起重机的动态特性影响较大，而高频模态对系统的动态特性的影响较小，可以忽略不计^[10]。

前四个固有频率值如表格1所示，前四个振型如图表2到5所示：

表格1起重臂固有频率

图表2 第一模态振动 图表3 第二模态振动

图表4 第三模态振动 图表5 第四模态振动

从表1和图2到5可知，组合臂的整体动刚度较好。臂架结构的基频为1.3703Hz，满足起重机设计规范中规定的动刚度要求，由图2可知，风荷载和旋转时的摆动是主要的振动激励。图2显示振动是由提升过程引起的，所以我们应该避免启动速度过快、跳跃和巨大的冲击。

1.3提升瞬态动力学解

自由度较大的结构体系的方程一般描述如下：

[M]｛uamp;amp;｝ [C]｛uamp;amp;｝ [K]｛u｝=｛F^alpha;｝ （2）

式中，C为结构阻尼矩阵，u为结构节点速度矩阵，F为结构激振力矩阵，其他的参数含义与上述的含义一致。

ANSYS采用前向差分法和有限元差分法的Newmark^[11]法。通过简化和联立方程可以得到下列方程：

（alpha;₀[M] alpha;₁[C] [K]）｛u_{n 1}｝=[M]（alpha;₀｛u_n｝ alpha;₂｛uamp;amp;｝ alpha;₃｛uamp;amp;_n｝） [C]（alpha;₁｛u_n｝ alpha;₄｛uamp;amp;_n｝ alpha;₅｛uamp;amp;_n｝） ｛F^alpha;｝ （3）

其中alpha;₀到alpha;₅是新马克的相关参数。由于给定了动态激励，因此可以得到速度和加速度。同时，对节点位移进行约束，得到了节点的应力应变。

计算地层阻尼比和固有频率，得到瑞利阻尼常数分别为alpha;=0.2103和beta;=0.000259。在接下来的四图中显示了头部节点的垂直和水平位移及加速度曲线：

图表6 货物垂直位移 图表7 货物垂直加速度

图表8 货物水平位移 图表9 货物水平加速度

从图中可以看出，在提升激励载荷作用下，吊杆头出现了明显的振动。振幅先增大后收敛。随着时间的推移，臂架系统完成了从瞬态响应到稳态响应的转换。更重要的是，臂架头部位移和加速度与提升载荷的变化趋势是一致的，但结构的稳态响应与静力计算值基本相同，结构的稳态响应与静力计算值基本相似。

2.结论

本文得出以下结论：

1. 梁板单元可用于建立桁架结构模型，具有计算速度快、精度高等优点。
2. 在设计阶段根据设计模式的结构避免共振区。
3. 吊臂在起升阶段有明显的振动。随着时间的流逝，繁荣逐渐消失，最终达到平衡。
4. 考虑到设计时间的缩短，在设计阶段可以通过引入动态载荷系数来计算动载荷。

【参考文献】

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风载荷引起的门式起重机脱轨和倒塌

Francesco Frendo

意大利比萨大学土木与工业工程系

【摘要】本文对龙门起重机的灾难性的脱轨进行了分析。起重机在持续的强风作用下，以每小时约110公里的速度，开始移动，并在行驶了约60米后，脱轨和倒塌。幸运地是，没有操作人员在这次事故中受伤。

起重机装配有被动式夹轨器，必须根据参考来确定尺寸达到标准规定的非常强的即停止使用的风强度。通过对起重机和安装的夹具的技术数据的分析，得出结论：由于在评估风推力时没有考虑空气动力系数，所以在确定停用风载荷时存在微小误差。因此，这些夹具不符合当前的规定，实际上，不能保持起重机承受最强的风载荷，这可能发生在工厂安装区域内。根据起重机几何结构和风力记录的分析表明，实际上，事故发生时的风荷载超过了夹具的承载能力。基于梁模型，对起重机载荷条件进行平面分析，可以解释起重机在绕一个支腿的垂直轴旋转时倒塌的方式，并估计起重机转向架和钢轨之间交换的载荷，这些载荷导致多个钢轨锚定螺栓断裂。

这起事故是由设计错误引起的，这指出了进行准确评估的必要性，并进行多重和独立的检查，特别是在对操作人员或环境有重大风险的大型电厂的情况下。

【关键词】门式起重机、脱轨、风载荷、失败、设计误差

1. 简介

本文对龙门式起重机的灾难性故障进行了分析。起重机在强风作用下开始漂移，脱轨和倒塌，如图1和图2所示。在起重机顶部驾驶室的操作员报告说，在强风的作用下，起重机站在那里，夹着铁轨，在一个给定的时间，起重机开始移动，并且在间隔几十米（大约50-60米）的距离行驶后脱轨。

起重机的安全方面和风险分析被认为是一个重要的职业和环境问题，特别是在建筑行业[1-5]。然而，据笔者所知，这类起重机随风漂移的事故在之前的技术文献中还没有记载。风载荷是起重机设计中

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