某港装船机结构振动分析及修复方案

孔祥顺

武汉理工大学物流工程学院



某港装船机结构振动分析及修复方案

孔祥顺

武汉理工大学物流工程学院

以某港装船机振动异常部位为主要研究对象，对装船机具体部位振动异常的原因进行了分析，提出了相应的修复设计方案，并根据某港装船机的结构和受力特点，从操作和管理方面给出对策建议。

装船机； 后伸臂； 振动； 设备管理

1　前言

装船机是用于散货码头装船时使用的大型散料机械。随着现代海洋运输的高速发展， 装船机作为散货码头的重要装船和输送设备，其性能优劣将对整个散货运输的工艺系统及生产效率产生很大影响。装船机主要包括主体结构及尾车两部分，主体结构直接与货船关联，实现货物从岸边到货船上的装船作业，尾车部分则关联岸边货物与装船机主体结构部分，通过尾车中的带式输送机，实现货物从取料机械到装船机主机之间的传输作业。装船机取料时本身所受到的外力载荷并不是很大，主要是受到静态均布载荷，而振动主要是来源于皮带驱动及装船机的支腿受力不均。

某港装船机总体设计上是根据水位、船型、码头轨道高度、轨距、码头皮带机的高度、位置、车辆通过净空等来综合考虑的。由于装船的船型变化较大，为了作业时尽可能减少大车的行走动作，本装船机采用了臂架伸缩机构，以便在大车不动的情况下卸料点尽可能覆盖整个舱口。同时这种结构也给设备本身的维护带来了便利。另外，为尽可能减轻设备重量，外臂架采用了桁架结构。

某港装船机承受载荷的特点为连续、重载、交变，其承受载荷大多来自于自重载荷。其载荷类型主要为均布载荷和集中载荷，根据装船机各部位具体结构分析，装船机上的皮带机驱动装置会对装船机本身施加集中载荷，受集中载荷的部位很可能会导致其局部结构刚度不足，进而导致其振动异常[1-2]。

2　故障现象

某港装船机主臂俯仰运行时，观测到司机室和皮带驱动机构以及下方的后伸臂钢结构振动剧烈。针对此情况，对此装船机进行了各个方面的检测，在静态应力、动态应力、金属结构裂纹、焊缝以及其他零部件检测中均未发现异常情况。另外，在装船机的3个位置进行了振动测量。本测量检测主臂俯仰过程中各部位的振动加速度和振动频率，以便了解各部位的振动强度，确定振动频率。根据采集到的时域信号图可以确定其为噪声信号，即在此信号图中很难得出有用的信息，故我们将其进行快速傅里叶变换(FFT)，得出信号的频谱函数图像[3]。根据所得的3个测点8个方向的频域信号图，发现皮带机驱动电机机壳和皮带机驱动电机下方的工字梁两个测点Z轴方向的最大能量的振动信号频率均为473.1 Hz，由此得出皮带机驱动机壳和皮带机驱动电机下方的工字梁在Z轴方向存在共振现象。另外，由于驱动电机下方的工字梁本身并不会产生振动，那么可以确定驱动机构是装船机的一个较大的振源，装船机后伸臂受到驱动机构本身的重力和驱动皮带产生的张力。由此可知，很可能由于装船机后伸臂结构设计方面的一些缺陷导致其振动过大。

3　原因分析

某港装船机的后伸臂结构实际上是一个钢结构平台，此钢结构平台由两条主梁以及两条次梁等组成。在主梁和次梁上铺着一层面板。在此钢结构平台上，布置着卷筒、皮带机、减速器、制动器和电机等结构，卷筒驱动机构的重量由两个螺栓座承载，故整个卷筒驱动机构的重量便在两个螺栓座位置的中心，即刚好在主梁结构上，而皮带机在皮带传动方向的张力也会对钢结构平台的稳定性产生影响。此外，平台上的制动器也会产生制动力矩。副梁的布置主要考虑钢结构平台的受力情况，在受力相对较大的部分即皮带驱动的位置布置了一条次梁。考虑到整体结构布置的合理性，在平台的另外一端也附加布置了一条次梁。在钢结构平台的周边还布置了一些角钢以及走道、栏杆、格栅等结构，便于工作人员在其上进行工作。从整体上来看，此后伸臂钢结构平台可以简化为一悬臂梁结构，在此结构上施加着皮带驱动的重力以及皮带在驱动过程中产生的张力，通过这样的工况简化便可更好地分析后伸臂结构。

针对简化工况利用ANSYS软件进行分析。工字型截面主梁的翼缘板截面尺寸为280 mm×10 mm，腹板尺寸为450 mm×10 mm，悬臂梁的长度为4.3 m，在距离悬臂自由端1 m处施加垂直向下的力以及与悬臂端方向相反的力，进而对此进行求解。由ANSYS受力计算结果可知，此悬臂梁的应力值明显超出正常范围，需要考虑采取相应的措施增强其刚度[4]。

在类似工作状况下，有几种增强悬臂梁结构的刚度的方法。

(1)对悬臂梁的截面进行重新设计。 此种方法又可分为两种情况，一种是对工字形截面梁的腹板形状进行重新设计，即可考虑使用工字钢加圆管形状的截面梁；另一种是对截面梁的整个结构进行加粗。不过，结合某港装船机后伸臂具体案例，如果采用改变主梁截面形状的方法，则意味着要将整个钢结构平台重新改造，费时费力，可操作性较差[5]。

(2)对悬臂梁添加斜支撑梁或斜拉梁。这种方法是应对此类问题最常规的做法，但是此方法也有一个明显的缺陷，即对长度很长的悬臂梁效果不是很明显，且耗费大量材料成本和施工成本。

(3)在驱动电机下方增加弹簧或缓冲垫。根据设备的安装情况，发现在驱动电机下方增加缓冲装置非常困难，安全性也也得不到保障。并且，如果添加了缓冲垫，很可能会导致整体结构对中性下降，导致另外一个方向出现过大振动，故此种方案也不适合用于本课题。

综合上述几种增强结构刚度的方法，结合工程实际状况，决定在钢结构平台下方添加斜支撑梁。在实际工程中，在条件允许的情况下，要尽量减小斜支撑的截面，同时增加斜支撑的数量，这样在增加结构相同的抗侧刚度时其经济性更强。故选择在两条主梁下方分别添加一条斜支撑梁，两条斜支撑梁位置相互平行。斜支撑梁为箱型截面梁，翼缘板的截面尺寸为300 mm×8 mm，腹板的截面尺寸也为300 mm×8 mm。焊接部位确定为悬臂梁固定端下方约1.8 m处和距离悬臂梁自由端约1 m处主梁下方，以达到增强整体结构刚度、减小结构振动的目的。

4　修复方案

修复方案为：在立柱上预计焊接位置焊接一块厚度为16 mm的连接板(700 mm×500 mm)，对此连接板采用围焊和塞焊相结合的方法，即采用围焊的方法将支撑梁焊接在连接板上。在主梁下方焊接箱型支撑梁也采用类似的方法，连接板尺寸为1100 mm×500 mm，由于焊接部位相对特殊，需要采用仰焊的方法，施焊难度相对较大。焊接方法为CO2气体保护焊，此种焊法能够有效减少焊接变形。另外，对新的焊缝要进行无损检测，保证焊缝质量。

针对拟定的修复方案，利用ANSYS软件对修复结构进行仿真分析，根据修复方案中相应的设计尺寸添加一条箱形截面斜支撑梁，模拟结果证明添加箱型截面斜支撑梁的修复方案是合理的。

5　设备管理对策

针对某港装船机结构缺陷这一具体案例，从设计计算的角度对其提出相应的设备管理对策。

在设计前，需要确定用户需求，在总体上了解设计内容的可行性与经济性；在规划与初步设计阶段，对所要设计的设备进行市场分析以及可行性研究，同时明确用户的使用要求和设备的维修性、相关设计准则和后勤计划；进入正式的初始设计阶段，需要对整体系统进行分析、优化以及综合，并且要对其进行必要的技术设计、后勤分析及预测，最后需要用户对其进行确认；到了细节设计阶段，需要对系统的细节进行设计以及评审，最终还要对系统进行试验与鉴定。在用户审查过程中，设计计算书和相应的图纸需要让用户来进行审阅；最后进行第三方验收。从计算方面来预防和控制结构设计缺陷， 避免荷载计算的错误，如果忽略一些不可简化的受力情况，譬如将皮带产生的张力略去，就很可能导致最后设计出的结构刚度不够；材料的泊松比等参数要合理估计，不能盲目根据经验随意拟定数值计算。

6　 结语

在结构缺陷分析方面，对后伸臂结构的设计缺陷，根据现场观察，其他结构也有类似的可能导致装船机运行不良的问题，比如平衡梁结构、伸缩臂外桁架构件腹杆等也存在着刚性不足的问题，也需要采取相关方法进行加强。

[1]李晓军，装船机的布置与结构特点[J]. 重工与起重技术，2015(4)，18-19.

[2]栾天岭,金伯钧. 装船机尾车前支腿振动故障分析及改造[J]. 矿山机械,2005,11:108-109.

[3]靳玉川. 黄骅港SL6装船机振动改造方案[J]. 硅谷,2011,15:191-194+166.

[4]魏恒州. 国外散粮装船机及装船码头工艺布置[J]. 港口装卸,1995,01:31-34.

[5]高崇金. 装船机俯仰机构计算和L架结构有限元分析[J]. 机械工程师,2014,08:180-183.

[5]朱同坤. 运用状态检测技术解决装船机的振动问题[J]. 起重运输机械,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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