门座式起重机健康检测系统测点优化研究

陈红艳，朱龙彪，郭东军，张一辉，陈洪良

CHEN Hong-yan1, ZHU Long-biao1, GUO Dong-jun1, ZHANG Yi-hui2, CHEN Hong-liang2

（1.南通大学，南通 226019；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院，南通 226000）

0 引言

门座式起重机是现代化港口和船厂机能作业的重要设备，随着社会经济的增长及生产规模的扩大，门座式起重机正向大型化、重载化、高速化方向发展，其安全健康性能面临着巨大的挑战，作为极易发生重大安全事故的特种作业机械，一旦发生事故，对安全生产形势和人民的生命财产安全产生严重的威胁[1]。起重机的金属结构支承着各个工作机构及自重并起着传递载荷的作用，其健康性非常重要。因此，起重机健康检测非常必要也迫在眉睫[2]。进行起重机健康检测时，传感器布设的位置与数量会对结果产生至关重要的影响。为了使有限数量的传感器能获取最全面最可靠的结构健康状况信息，必须对传感器进行最优布设。因此，以MQ2533门座式起重机为研究对象，采用有限元分析软件ANSYS对其整机进行结构强度分析，确定出MQ2533门座式起重机应力应变最大部位，并通过历史故障分析统计确定了起重机的危险点，优化了传感器测点在起重机上的布置，为起重机的健康检测提供了保障。

1 MQ2533门座式起重机概述

MQ2533门座式起重机是现代化港口和船厂机能作业的常用重要设备之一，其构造可以分为两大部分：上部旋转部分和下部运行部分，结构形式如图1所示[3]。

MQ2533门座式起重机额定起重量为25000kg，最大工作幅度为33米，在吊钩工况下，22米幅度内，可起吊40000kg重的货物，其技术参数如表1所示。

图1 MQ2533门座式起重机平面示意图

表1 MQ2533门座式起重机主要性能参数表

2 门座式起重机有限元模型的建立

对MQ2533门座式起重机整机进行建模。建模做了一定的简化，详细做出主结构，像楼梯、机房等则忽略不在模型中表现。

1）用箱形结构模拟象鼻梁；

2）铰接轴用节点耦合的方法模拟；

3）忽略所有平台、隔板等。

2.1 单元属性及网格划分

根据门座式起重机的主要结构特征，选用三维梁单元BEAM188和质量单元MASS21建立整机模型。MQ2533门座式起重机主结构的材料为结构钢Q235和Q345，其中，象鼻梁、主臂架、人字架、转盘的材质均为Q345，大拉杆、小拉杆、平衡梁、圆筒体、横梁和端梁的材质为Q235。定义材料属性为弹性模型E=2.06×1011，泊松比μ=0.3，密度为ρ=7.85×103kg/m3。网格划分如图2所示，共划分单元总数为梁单元422个，质量单元20个，节点总数为462个。

图2 MQ2533门座式起重机网格节点图

2.2 载荷工况

在选择工况时，选取对门座式起重机最为不利的工况来分析门座式起重机在相应工况下应力应变的分布规律，找出应力应变最大部位，并作为布置传感器测点的依据。计算工况选择如表2所示。

表2 计算工况选择表

施加载荷为相应工况下的额定最大载荷。施加的载荷包括基本载荷和附加载荷，基本载荷主要有自重载荷（包括起重机的结构自重和司机室、机房电气自重等，但不包括吊钩重量）、起升载荷和惯性载荷附加载荷主要是工作状态的最大风载和偏摆载荷自重具有动载效应，即自重载荷会由于起升质量的突然起升或下降而产生与其加速度方向相反的冲击作用，这种作用可以通过自重振动系数乘以计算。同时，传动机构和承载结构也会因起升质量的突然起升或下降而产生附加动载荷的作用，这种作用可以通过起升动载系数乘以计算。自重载荷、惯性载荷通过加速度加载，风载荷折算成惯性载荷，起升载荷、偏摆载荷作为集中载荷加载。

LS为吊钩重量：LS=1250kg。

起升载荷PQ按表3进行计算。

表3 不同幅度下的额定起重量

P1为由行走引起的惯性力，通过运行加速度施加：行走速度v=25m/min=0.417m/s，加速时间t=3s，加速度a=0.417/3=0.14m/s2；

P2为旋转惯性载荷及离心载荷，通过回转加速度施加：旋转速度n=1.5r/m，制动时间t=5s，旋转加速度a=1.5×2×1.5/60/5=0.047r/s2；

施加的位移约束如表4所示，位移约束为自由度约束，通常在模型的边界上施加。

表4 模型约束

其中，UX,UY,UZ为沿X,Y,Z轴方向的位移，ROTX,ROTY,ROTZ为绕X,Y,Z轴方向的转动自由度。“0”表示该自由度被约束。

3 有限元计算结果与分析

分别按上述四种工况对建立的MQ2533门座式起重机模型进行静力分析，找出门座式起重机每种工况下主要结构部件（象鼻梁、主臂架、大拉杆、小拉杆、人字架、平衡梁、转盘、圆筒体、横梁、端梁）的应力最大位置，得出各工况下整机应力云图及关键部位应力最大位置。

图3给出了四种工况下整机应力云图，计算结果表明，应力应变值较大部位主要位于象鼻梁、臂架、人字架、转台、支撑圆筒以及拉杆部位，各主要结构部件最大应力出现位置如表5所示。

图3 四种工况整机应力云图

表5 主要结构部件最大应力出现位置

4 传感器测点的布置

为使检测更加可靠有效，测点的选择遵循以下基本原则[4]：

1）测点的选择应具有代表性，应为常见故障点及理论分析计算关键点；

2）测点可全面客观的切实反映起重机的健康状况；

3）测点的位置应便于监测与维护工作的安全进行。

通过对门座式起重机金属结构故障统计发现，其故障点主要发生在以下部位：

1）臂架：门座式起重机经常出现臂架折断的情况，臂架中部小拉杆支撑点前上翼缘板非常容易出现疲劳裂纹现象；

2）象鼻梁：象鼻梁顶端靠近吊钩滑轮组处焊缝较多且经常承受动载荷，裂缝容易扩张；

3）平衡梁：平衡梁整体结构应力分布较为均匀，但在其根部与平衡拉杆连接处应力较大；

4）圆筒体：圆筒体曾出现大范围开裂的情况，其危险点主要在上下根部；

5）大小拉杆、转盘、人字架等。

各部位故障比例如表9所示。

表6 门座式起重机金属结构各部位故障比例

所以，参考有限元分析计算结果，并通过以往起重机故障点统计分析及起重机特检人员从业经验，将测点分别布置在如图4所示位置。

图4 测点布置图

5 结束语

起重机的健康检测是关系到安全生产形势和人民的生命财产的重大问题，而传感器测点的优化则是起重机健康检测的关键所在。借助有限元软件ANSYS对MQ2533门座式起重机进行建模与结构强度分析，确定出MQ2533门座式起重机应力应变最大部位，并通过历史故障分析统计确定了起重机的危险点，优化了传感器测点在起重机上的布置，对起重机的健康检测具有重要的意义。

[1] 顾迪民.起重机械事故分析和对策[M].北京：人民交通出版社, 2001.

[2] 陈红艳,朱龙彪,张一辉,等.门座式起重机安全健康监测系统研究[J].制造业自动化,2013,35(9)：58-61.

[3] 陈红艳.门座式起重机安全健康监测关键技术研究[D].江苏：南通大学,2013.

[4] 陈文.基于在线监测的门座式起重机维修决策支持系统研究[D].武汉：武汉理工大学,2011.