卸船机抓斗起升动载产生的前大梁振动分析

曾来军　陈　振

华电重工股份有限公司上海分公司



卸船机抓斗起升动载产生的前大梁振动分析

曾来军陈振

华电重工股份有限公司上海分公司

摘要：卸船机在抓斗和物料提升时，抓斗及物料所产生动载通过钢丝绳传递到卸船机前大梁上，从而对前大梁产生冲击，造成前大梁的振动。通过Ansys分析软件模拟这一过程，得到冲击后大梁的振动曲线，得到了大梁的振动幅值及振动频率等结果。

关键词：卸船机; 起升动载; 振动

抓斗卸船机是港口大型接卸设备，广泛应用于矿石、煤炭等散料码头。抓斗卸船机工作过程为通过抓斗抓取船上的物料，随小车运行将物料卸到安装在门架上的料斗里，随后物料经过给料系统运输到码头的皮带机上。

在抓斗抓取物料时，抓斗和物料是通过柔性很大的钢丝绳联系到前大梁上；而前大梁悬臂很长，在物料提升的瞬间，抓斗和物料会产生很大的冲击动载，通过钢丝绳传递给前大梁，这种冲击会造成前大梁在短时间内的振动。由于结构阻尼的存在，振动会逐渐衰减，最后趋于平稳。以往对于卸船机结构的分析，仅仅是在静力范畴内进行，而没有考虑动态响应，这与卸船机实际工作情况并不一致。本文通过Ansys软件对抓斗和物料提升瞬间起升动载对前大梁振动的影响，以及前大梁在冲击瞬间的变形和振动情况进行分析，得到冲击后大梁的振动曲线，得到了大梁的振动幅值及振动频率等结果。

1瞬态动力学基本方程及方程求解

瞬态动力学分析的目的是求得在结构承受随时间变化的载荷时结构发生的动态响应。对于线性结构，有瞬态动力学基本运动方程[1]：

(1)

在Ansys软件里，比较常用的求解瞬态动力学方程的方法是通过Newmark时间积分方法，在离散的时间点上求解这些方程。在一个时间间隔内有：

(2)

(3)

其中α，δ为积分参数。通过方程(1)可以得到时间tn+1时刻，系统的动力学控制方程：

(4)

将方程(2)(3)整理后带入方程(4)可以得到tn+1时刻的位移表达式：

(5)

其中：a0=1/(αΔt2),a1=δ/(αΔt),a2=1/(αΔt),a3=1/(2α)-1,a4=δ/ α-1,a5=0.5Δt(δ/α-2)

假定已知初始速度和位移，即可通过方程(5)差分得到下一时刻的位移和速度，最终得到不同时间点的结构的动力学响应。

在通过Ansys软件利用Newmark方法求解瞬态动力学方程时，存在一个重要的参数设置：积分时间步长Δt：即载荷作用的2个时间点内的时间增量。时间步长的大小对瞬态分析的精度有很大的影响，应该足够的小，本文中取每个循环中存在20个时间点，即：

(6)

式中，f为关注的结构固有频率中最高响应频率。

对于起升动载效应，《起重机设计规范(GB3811-2008)》中给出，当物品无约束地起升离开地面时，物品的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的作用，起升动力效应用一个大于1的起升动载系数φ2乘以额定起升载荷PQ来考虑[2]。根据文献[2]，起升动载系数φ2由如下公式求得：

起升状态级别选择有中度冲击的HC3，φ2min=1.15，β2=0.51，Vq=2.67 m/s。按照规范要求，取φ2=2.2。额定起升载荷PQ为抓斗自重及抓斗能够抓取的最大物料重之和，本文中PQ=43 t。

方程(1)中的动载荷{F(t)}为时间的函数，假定卸船机在抓斗和物料提升瞬间，动载的变化过程为t=0时开始提升物料，0

图1　碰撞载荷示意图

本文在卸船机整体模型上进行提升动载的影响分析，卸船机Ansys模型采用beam189单元建模，对于集中质量采用mass21单元模拟。

2卸船机模态分析

模态分析用于确定结构的动力特性，即得到结构的自振频率和振型等。通过卸船机整机模态分析，可以得到不同阶数对应的振型，表1中给出了卸船机前5阶振动模态，并给出了每阶模态对应的卸船机振动形式，其中主要关心的是抓斗起升方向即Y向的振动形式即第5阶振动，振动频率为1.69。

表1　卸船机前五阶振动模态列表

3卸船机起升动载瞬态分析

为了分析起升动载产生的影响，需要知道前大梁振动的平衡位置，即静力分析得到的前大梁的位置。为了和瞬态响应分析得到的前大梁变形情况比较，分别给出了考虑动载和不考虑动载时的卸船机前大梁的竖向变形图，见图2和图3。

图2　满载(不考虑动载)卸船机静力分析变形图

图3　满载(考虑动载)卸船机静力分析变形图

通过图2和图3可以得到，考虑动载和不考虑动载情况下，卸船机前大梁的竖向位移分别为160 mm和259 mm，其中前者为瞬态响应动载效应消失后卸船机受载对应的变形，即为瞬态响应最终的振动平衡位置。

在不知道哪些因素会影响起升动载对前大梁振动的影响的情况下，分别研究了：(a)相同的动载作用时间不同的阻尼情况，卸船机前大梁的振动；(b)相同的阻尼，不同的动载作用时间，卸船机前大梁的振动。在这两种情况下，卸船机小车均位于最大外伸距。

情况(a)对应的前大梁头部竖向振动的瞬态响应分析结果见图4。其中上图对应的阻尼γ=1，下图对应的阻尼γ=2,2种情况的动载作用时间t1=2 s。

图4　动载作用2 s,前大梁振动曲线

(1)动载会造成前大梁的振动，且振动周期为0.6 s，等于模态分析得到的卸船机第5阶振动对应的周期。即在动载作用下，卸船机前大梁将以其固有频率进行振动。

(2)卸船机抓斗和物料在提升的瞬间，卸船机前大梁会在很短的时间内向下变形，且变形量为280 mm超过静力分析得到的变形结果，即动载作用造成了前大梁竖向位移的放大，静态分析存在缺陷。

(3)随着阻尼的增加，卸船机前大梁的振动会加快衰减，如果阻尼太小，振动持续的时间会很长。

对于情况(b)，计算了动载作用t1=1 s，阻尼分别为γ=1和γ=2两种不同形式，得到的前大梁振动曲线见图5。从图中可以看出，动载消失后，前大梁头部将微弱的振动然后衰减。主要是由于动载小，时间短，无法激发前大梁的大振幅振动。

图5　动载作用1 s，前大梁振动曲线

4结论

通过对卸船机起升动载进行瞬态响应分析，可以得到如下结论：

(1)随时间变化的动载会造成前大梁的振动，阻尼的存在会导致振动衰减，阻尼越大，衰减越快。

(2)瞬态分析得到的前大梁的变形比静态分析得到的变形值大，静态分析存在一定的缺陷。

参 考 文 献

[1]王新敏．ANSYS结构动力分析与应用[M]．北京：人民交通出版社，2014.

[2]国家质检总局．起重机设计规范 GB/T 3811[S]．中国标准出版社，2008.

[3]张仕海，朱建元，胡雄.集装箱桥吊前大梁振动的时间序列分析与故障诊断[J]．上海海事大学学报，2004(4)：1-3.

曾来军： 200122, 上海市浦东新区福山路458号同盛大厦21层

Vibration Analysis of the Ship Unloader′s Frame Leg Caused by the Dynamic Load when Lifting the Grab

Huadian Heavy Industries CO.,Ltd. Shanghai BranchZeng LaijunChenZhen

Abstract:When ship unloader hoists grab and cargo, dynamic load will transmit to frame leg through wirerope, then frame leg will vibrates by load shock. In this paper, this process is simulated by Ansys, then the vibration curve of frame leg caused dynamic load is obtained. Finally, the amplitude and frequency of frame leg are shown.

Key word:ship unloader; dynamic lifting load; vibration

收稿日期：2015-07-08

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.003