陳紅艷，朱龍彪，郭東軍，張一輝，陳洪良

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

（1.南通大學(xué)，南通 226019；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院，南通 226000）

0 引言

門座式起重機(jī)是現(xiàn)代化港口和船廠機(jī)能作業(yè)的重要設(shè)備，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)及生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，門座式起重機(jī)正向大型化、重載化、高速化方向發(fā)展，其安全健康性能面臨著巨大的挑戰(zhàn)，作為極易發(fā)生重大安全事故的特種作業(yè)機(jī)械，一旦發(fā)生事故，對(duì)安全生產(chǎn)形勢(shì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅[1]。起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)支承著各個(gè)工作機(jī)構(gòu)及自重并起著傳遞載荷的作用，其健康性非常重要。因此，起重機(jī)健康檢測(cè)非常必要也迫在眉睫[2]。進(jìn)行起重機(jī)健康檢測(cè)時(shí)，傳感器布設(shè)的位置與數(shù)量會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。為了使有限數(shù)量的傳感器能獲取最全面最可靠的結(jié)構(gòu)健康狀況信息，必須對(duì)傳感器進(jìn)行最優(yōu)布設(shè)。因此，以MQ2533門座式起重機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，確定出MQ2533門座式起重機(jī)應(yīng)力應(yīng)變最大部位，并通過(guò)歷史故障分析統(tǒng)計(jì)確定了起重機(jī)的危險(xiǎn)點(diǎn)，優(yōu)化了傳感器測(cè)點(diǎn)在起重機(jī)上的布置，為起重機(jī)的健康檢測(cè)提供了保障。

1 MQ2533門座式起重機(jī)概述

MQ2533門座式起重機(jī)是現(xiàn)代化港口和船廠機(jī)能作業(yè)的常用重要設(shè)備之一，其構(gòu)造可以分為兩大部分：上部旋轉(zhuǎn)部分和下部運(yùn)行部分，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[3]。

MQ2533門座式起重機(jī)額定起重量為25000kg，最大工作幅度為33米，在吊鉤工況下，22米幅度內(nèi)，可起吊40000kg重的貨物，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 MQ2533門座式起重機(jī)平面示意圖

表1 MQ2533門座式起重機(jī)主要性能參數(shù)表

2 門座式起重機(jī)有限元模型的建立

對(duì)MQ2533門座式起重機(jī)整機(jī)進(jìn)行建模。建模做了一定的簡(jiǎn)化，詳細(xì)做出主結(jié)構(gòu)，像樓梯、機(jī)房等則忽略不在模型中表現(xiàn)。

1）用箱形結(jié)構(gòu)模擬象鼻梁；

2）鉸接軸用節(jié)點(diǎn)耦合的方法模擬；

3）忽略所有平臺(tái)、隔板等。

2.1 單元屬性及網(wǎng)格劃分

根據(jù)門座式起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特征，選用三維梁?jiǎn)卧狟EAM188和質(zhì)量單元MASS21建立整機(jī)模型。MQ2533門座式起重機(jī)主結(jié)構(gòu)的材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235和Q345，其中，象鼻梁、主臂架、人字架、轉(zhuǎn)盤的材質(zhì)均為Q345，大拉桿、小拉桿、平衡梁、圓筒體、橫梁和端梁的材質(zhì)為Q235。定義材料屬性為彈性模型E=2.06×1011，泊松比μ=0.3，密度為ρ=7.85×103kg/m3。網(wǎng)格劃分如圖2所示，共劃分單元總數(shù)為梁?jiǎn)卧?22個(gè)，質(zhì)量單元20個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為462個(gè)。

圖2 MQ2533門座式起重機(jī)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)圖

2.2 載荷工況

在選擇工況時(shí)，選取對(duì)門座式起重機(jī)最為不利的工況來(lái)分析門座式起重機(jī)在相應(yīng)工況下應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，找出應(yīng)力應(yīng)變最大部位，并作為布置傳感器測(cè)點(diǎn)的依據(jù)。計(jì)算工況選擇如表2所示。

表2 計(jì)算工況選擇表

施加載荷為相應(yīng)工況下的額定最大載荷。施加的載荷包括基本載荷和附加載荷，基本載荷主要有自重載荷（包括起重機(jī)的結(jié)構(gòu)自重和司機(jī)室、機(jī)房電氣自重等，但不包括吊鉤重量）、起升載荷和慣性載荷附加載荷主要是工作狀態(tài)的最大風(fēng)載和偏擺載荷自重具有動(dòng)載效應(yīng)，即自重載荷會(huì)由于起升質(zhì)量的突然起升或下降而產(chǎn)生與其加速度方向相反的沖擊作用，這種作用可以通過(guò)自重振動(dòng)系數(shù)乘以計(jì)算。同時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和承載結(jié)構(gòu)也會(huì)因起升質(zhì)量的突然起升或下降而產(chǎn)生附加動(dòng)載荷的作用，這種作用可以通過(guò)起升動(dòng)載系數(shù)乘以計(jì)算。自重載荷、慣性載荷通過(guò)加速度加載，風(fēng)載荷折算成慣性載荷，起升載荷、偏擺載荷作為集中載荷加載。

LS為吊鉤重量：LS=1250kg。

起升載荷PQ按表3進(jìn)行計(jì)算。

表3 不同幅度下的額定起重量

P1為由行走引起的慣性力，通過(guò)運(yùn)行加速度施加：行走速度v=25m/min=0.417m/s，加速時(shí)間t=3s，加速度a=0.417/3=0.14m/s2；

P2為旋轉(zhuǎn)慣性載荷及離心載荷，通過(guò)回轉(zhuǎn)加速度施加：旋轉(zhuǎn)速度n=1.5r/m，制動(dòng)時(shí)間t=5s，旋轉(zhuǎn)加速度a=1.5×2×1.5/60/5=0.047r/s2；

施加的位移約束如表4所示，位移約束為自由度約束，通常在模型的邊界上施加。

表4 模型約束

其中，UX,UY,UZ為沿X,Y,Z軸方向的位移，ROTX,ROTY,ROTZ為繞X,Y,Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。“0”表示該自由度被約束。

3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

分別按上述四種工況對(duì)建立的MQ2533門座式起重機(jī)模型進(jìn)行靜力分析，找出門座式起重機(jī)每種工況下主要結(jié)構(gòu)部件（象鼻梁、主臂架、大拉桿、小拉桿、人字架、平衡梁、轉(zhuǎn)盤、圓筒體、橫梁、端梁）的應(yīng)力最大位置，得出各工況下整機(jī)應(yīng)力云圖及關(guān)鍵部位應(yīng)力最大位置。

圖3給出了四種工況下整機(jī)應(yīng)力云圖，計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)力應(yīng)變值較大部位主要位于象鼻梁、臂架、人字架、轉(zhuǎn)臺(tái)、支撐圓筒以及拉桿部位，各主要結(jié)構(gòu)部件最大應(yīng)力出現(xiàn)位置如表5所示。

圖3 四種工況整機(jī)應(yīng)力云圖

表5 主要結(jié)構(gòu)部件最大應(yīng)力出現(xiàn)位置

4 傳感器測(cè)點(diǎn)的布置

為使檢測(cè)更加可靠有效，測(cè)點(diǎn)的選擇遵循以下基本原則[4]：

1）測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)具有代表性，應(yīng)為常見(jiàn)故障點(diǎn)及理論分析計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)；

2）測(cè)點(diǎn)可全面客觀的切實(shí)反映起重機(jī)的健康狀況；

3）測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)便于監(jiān)測(cè)與維護(hù)工作的安全進(jìn)行。

通過(guò)對(duì)門座式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其故障點(diǎn)主要發(fā)生在以下部位：

1）臂架：門座式起重機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)臂架折斷的情況，臂架中部小拉桿支撐點(diǎn)前上翼緣板非常容易出現(xiàn)疲勞裂紋現(xiàn)象；

2）象鼻梁：象鼻梁頂端靠近吊鉤滑輪組處焊縫較多且經(jīng)常承受動(dòng)載荷，裂縫容易擴(kuò)張；

3）平衡梁：平衡梁整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均勻，但在其根部與平衡拉桿連接處應(yīng)力較大；

4）圓筒體：圓筒體曾出現(xiàn)大范圍開(kāi)裂的情況，其危險(xiǎn)點(diǎn)主要在上下根部；

5）大小拉桿、轉(zhuǎn)盤、人字架等。

各部位故障比例如表9所示。

表6 門座式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)各部位故障比例

所以，參考有限元分析計(jì)算結(jié)果，并通過(guò)以往起重機(jī)故障點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析及起重機(jī)特檢人員從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，將測(cè)點(diǎn)分別布置在如圖4所示位置。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

5 結(jié)束語(yǔ)

起重機(jī)的健康檢測(cè)是關(guān)系到安全生產(chǎn)形勢(shì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)的重大問(wèn)題，而傳感器測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化則是起重機(jī)健康檢測(cè)的關(guān)鍵所在。借助有限元軟件ANSYS對(duì)MQ2533門座式起重機(jī)進(jìn)行建模與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，確定出MQ2533門座式起重機(jī)應(yīng)力應(yīng)變最大部位，并通過(guò)歷史故障分析統(tǒng)計(jì)確定了起重機(jī)的危險(xiǎn)點(diǎn)，優(yōu)化了傳感器測(cè)點(diǎn)在起重機(jī)上的布置，對(duì)起重機(jī)的健康檢測(cè)具有重要的意義。

[1] 顧迪民.起重機(jī)械事故分析和對(duì)策[M].北京：人民交通出版社, 2001.

[2] 陳紅艷,朱龍彪,張一輝,等.門座式起重機(jī)安全健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(9)：58-61.

[3] 陳紅艷.門座式起重機(jī)安全健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].江蘇：南通大學(xué),2013.

[4] 陳文.基于在線監(jiān)測(cè)的門座式起重機(jī)維修決策支持系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2011.