目前，現(xiàn)役港口起重機(jī)多采用靜態(tài)設(shè)計(jì)-動(dòng) 態(tài)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法，即對動(dòng)態(tài)載荷考慮添加安全 系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，這種方法簡化了設(shè)計(jì)過程，保證 了起重機(jī)滿足靜強(qiáng)度、靜剛度要求。但由于未進(jìn) 行動(dòng)態(tài)特性分析，起重機(jī)作業(yè)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性無法 預(yù)估，給實(shí)際生產(chǎn)帶來困擾。

對某港口 JQ50軌道式龍門起重機(jī)的安全狀況 進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，其實(shí)測最大工作應(yīng)力為227 MPa， 作業(yè)過程中整機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)明顯，運(yùn)行不穩(wěn)，存在 安全隱患。根據(jù)檢測結(jié)果，起重機(jī)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì) 要求，但動(dòng)態(tài)性能可能存在問題。因此，有必要 對該機(jī)動(dòng)態(tài)特性（結(jié)構(gòu)模態(tài)和起升動(dòng)載響應(yīng)特性） 進(jìn)行分析，探討上述問題產(chǎn)生的原因，提出合理 的優(yōu)化改造方案，以提高作業(yè)生產(chǎn)率。

一、龍門起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為JQ50龍門起重機(jī)JQ50的結(jié)構(gòu)，主要有下橫梁、剛性支腿、柔性支腿、端梁、主 梁和門框等組成，其基本性能參數(shù)見表1

二、基于Ansys的動(dòng)態(tài)特性分析 2.1理論基礎(chǔ)

龍門起重機(jī)的動(dòng)態(tài)問題屬于有限個(gè)自由度彈式中：[M]、[C]、[幻分別為系統(tǒng)質(zhì)量矩 陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，5(〇、F(〇分別為系 統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移向量和激振力向量。

龍門起重機(jī)模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)的振 動(dòng)特性（固有頻率和振型），可在結(jié)構(gòu)無阻尼自由 振動(dòng)狀態(tài)下獲得，即取F(〇為零矩陣，阻尼忽略 不計(jì)，模態(tài)計(jì)算可轉(zhuǎn)化為求解方程（1)的特征值^ 和特征向量5(〇的問題。

龍門起重機(jī)起升動(dòng)載響應(yīng)主要研究小車跨中 起吊瞬間（危險(xiǎn)工況）整機(jī)系統(tǒng)的位移、速度、 加速度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。假設(shè)鋼絲繩為無質(zhì)量線彈 性體，大車軌道為剛性體，則吊重離地起升過程 可表示為圖2所示雙自由度振動(dòng)模型[3]。

由于起重機(jī)體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用實(shí)驗(yàn) 方法進(jìn)行模態(tài)和動(dòng)載響應(yīng)分析具有很大困難，本 文采用Ansys分析JQ50龍門起重機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。

2. 2基于Ansys的模態(tài)分析

圖3為在Ansys中建立的JQ50龍門起重機(jī)有 限元模型。根據(jù)平衡方程，模態(tài)計(jì)算時(shí)施加零位 移約束，并忽略力、壓力和加速度等載荷條件[2]。

表2為JQ50龍門起重機(jī)前10階模態(tài)的計(jì)算結(jié) 果。因低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能影響較大，故將 之作為研究重點(diǎn)。圖4?圖6為起重機(jī)前3階振型 圖。模態(tài)結(jié)果分析如下：

1)第1階頻率為0.573 Hz，這是起重機(jī)沿大車軌道方向的振動(dòng)，由大車起、制動(dòng)等原因引起， 此為最低頻率，說明系統(tǒng)沿大車軌道方向的動(dòng)剛 度最弱。目前對龍門起重機(jī)沿大車軌道方向的振 動(dòng)頻率沒有明確規(guī)定。

2)第2階頻率為0.42 Hz，這是起重機(jī)沿小 車軌道方向的振動(dòng)，由小車起、制動(dòng)等原因引起。

對橋架或龍門起重機(jī)而言，該方向的剛度控制問 題較難解決，亦沒有較成熟的規(guī)定。設(shè)計(jì)手冊中 認(rèn)為，其振動(dòng)頻率應(yīng)控制在1 Hz以上。計(jì)算得出 的頻率值偏低，說明該起重機(jī)在水平方向的動(dòng)剛 度不足，有待加強(qiáng)。

3) 第3階頻率為1.851 Hz，它表征起重機(jī)主 梁豎直方向的動(dòng)剛度，由吊重起升或下降制動(dòng)產(chǎn) 生。目前這方面的研究較多，普遍認(rèn)為小車跨中 滿載自振頻率應(yīng)控制在2?4 Hz之間。因此，起重 機(jī)豎直方向的動(dòng)剛度也有待改善和加強(qiáng)。

4) 第4?7階振型反映吊重的橫、縱向擺動(dòng); 第8階振型反映起重機(jī)的垂直扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。第9、10 階振型反映起重機(jī)的水平方向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。與前3 階振型相比，它們對整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的貢獻(xiàn)較小， 故不作

2.3基于Ansy的起升動(dòng)載響應(yīng)分析

在Ansys中取時(shí)間步長At =0. 05 s，仿真時(shí)間 t = 18s，以小車跨中滿載起吊瞬間為計(jì)算工況， 可得到主梁在垂直方向的位移、速度和加速度響 應(yīng)曲線，如圖7?圖9所示。動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果分析 《起重運(yùn)輸機(jī)械》2015 (12)

如下：

1) 由圖7可看出，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)由 暫態(tài)響應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，這是因?yàn)樽枘嶙?用引起能量消耗，系統(tǒng)無法保持等幅振動(dòng)，而是 一個(gè)振幅衰減運(yùn)動(dòng)。因此，系統(tǒng)在貨物離地起升 后第1個(gè)自由振動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)載效應(yīng)最大，這在圖 8、圖9中也有體現(xiàn)。位移響應(yīng)曲線與實(shí)際起升沖 擊載荷趨勢基本吻合，說明該動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果 比較正確。

2) 利用加速度峰值可對吊重離地起升瞬間最 大結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行估算，其值約為240 MPa，比安 全檢測所獲得的227 MPa要大，說明結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度 峰值比靜強(qiáng)度或穩(wěn)態(tài)條件下的測試值測試值偏大， 但仍在許用應(yīng)力之內(nèi)，整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

3) 位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線顯示，系統(tǒng)衰減時(shí)間在 16 s左右，而起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范對一般橋式起重機(jī)建 議t取12?15 s[3]，故t值偏大，說明起升過程振 動(dòng)劇烈，延長了動(dòng)態(tài)衰減時(shí)間。

三、基于動(dòng)態(tài)分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 3.1原因分析

1) 最主要原因是主梁剛度較弱，當(dāng)大車、小 車起制動(dòng)或運(yùn)行時(shí)，引起整機(jī)沿大車和小車軌道 方向的劇烈振動(dòng)。

2) 起升速度偏大，造成滿載起吊瞬間激振力 過大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間過長，使整機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性變差。

3) 起重機(jī)其他結(jié)構(gòu)如支腿、橫梁等的綜合剛 度對整機(jī)動(dòng)態(tài)性能也有一定影響，是造成此問題 的原因之一。

3.2提出優(yōu)化改造方案

針對上述產(chǎn)生原因，可考慮改進(jìn)起重機(jī)主梁 及其他部位的結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)動(dòng)剛度，并適當(dāng) 降低起升速度，從而改善整機(jī)動(dòng)態(tài)性能。

JQ50是箱形截面的龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其 結(jié)構(gòu)剛度由各箱形截面尺寸決定。文獻(xiàn)[4]研究 了箱形龍門起重機(jī)各結(jié)構(gòu)參數(shù)相對于系統(tǒng)剛度靈 敏度的大小，基于此文獻(xiàn)研究成果與JQ50龍門起 重機(jī)動(dòng)態(tài)問題的原因分析，可確定出表3所示 JQ50龍門起重機(jī)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

Ansys具有目標(biāo)優(yōu)化功能，以動(dòng)剛度（振動(dòng)頻 率）為優(yōu)化目標(biāo)，以表3參數(shù)為優(yōu)化變量，可對 JQ50龍門起重機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，各尺寸參 數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4中數(shù)據(jù)顯示部分結(jié)構(gòu)參數(shù)得到改進(jìn)，這 為起重機(jī)的優(yōu)化改造提供了依據(jù)。為了縮短吊重 起升瞬間動(dòng)態(tài)衰減時(shí)間，并保證較高的作業(yè)效率， 優(yōu)化改造后JQ50龍門起重機(jī)的起升速度由18 rn/ min 調(diào)整為 16 m/min。

3.3檢驗(yàn)優(yōu)化方案

利用Ansys對進(jìn)行同等改造后的龍門起重機(jī)進(jìn) 行模態(tài)和起升動(dòng)載響應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果見表5。

由表5可知，改造后JQ50龍門起重機(jī)的各項(xiàng) 動(dòng)態(tài)性能均滿足規(guī)范要求，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對結(jié)構(gòu) 進(jìn)行了加強(qiáng)改造，改造后使用狀況良好，說明此 改造方案合理。