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关于对塔式起重机振动特性的研究

技术应用 | 来源:中国升降机网 | 发布日期:2014-06-25 查看次数:329

核心提示:      由于[url=http://www.elevat.cn/Html/news/20112/2011228145623.html]塔式起重机[/url]的工作环境广泛存在着不同频率和不同振型的振动源等因素的干扰,其振动效应严重地影响了塔式起重机的工作性能,严重时甚至
     由于[url=http://www.elevat.cn/Html/news/20112/2011228145623.html]塔式起重机[/url]的工作环境广泛存在着不同频率和不同振型的振动源等因素的干扰,其振动效应严重地影响了塔式起重机的工作性能,严重时甚至会导致安全事故的发生。因此,有必要对其结构进行模态分析,为进行结构的合理设计和设备的使用提供科学的指导。

  笔者以某型塔式起重机为分析对象,利用大型通用有限元分析软件为工具,进行了有限元建模和模态分析和该型塔机实际振动信号的测取,并将模型分析结果和实测数据的分析结果相对比,验证了该建模分析方法的有效性。

  1模型的建立

  用有限元法建立机械系统动力分析的模型,可以计算出结构的固有频率,振型及动力响应等参数。

  有限元法可以模拟各种复杂结构,而且计算精度高,计算格式规范统一,已成为大型复杂结构动力分析计算的主要手段。

  现以山东富友公司的某型塔机为例进行分析,该塔式起重机总高50.9m,塔顶高6.4m,起重臂长54.8m,平衡臂长11.6m.各主要部分杆件的截面几何参数介绍如下:

  (1)塔身主弦杆用外径133mm,臂厚8mm的第7期王胜春等:塔式起重机的振动模态分析方形钢管;斜腹杆用直径76mm,壁厚5mm的钢管;直腹杆用直径50mm,壁厚5mm的钢管。

  (2)起重臂上弦杆用外径86mm,臂厚7mm的方形钢管;下弦杆(前5个臂节)用外径87mm,臂厚8mm的方形钢管;下弦杆(后5个臂节)用外径81mm,臂厚6mm的方形钢管。腹杆因不同臂节截面尺寸有不同的变化,定义截面类型时依据设计图纸尺寸分别定义(因类型较多,在此不再赘述)。

  (3)塔顶前后弦杆用90mm×8mm的角钢对焊;腹杆用直径60mm,壁厚5mm的钢管。

  (4)平衡臂材料用28a槽钢,其上的平衡重以及有些附加部件简化为质量单元。

  (5)斜拉索用直径40mm的圆钢。

  首先选择单元类型,塔式起重机的大多数杆件在实际承载时除了主要承受轴向力外,还会承受其它内力,如弯矩,扭矩,剪力等,为了提高建模的准确性,选用考虑拉压,弯曲和扭转刚度的空间梁单元。

  由于回转支承结构等实体部件相对塔机整体结构而言几何尺寸较小,而刚度较大,质量较为集中,当对塔机结构进行整体分析时,可以将回转支承结构等实体部件采用梁单元进行等效,使塔机的整体分析中只包含梁单元,避免了具有不同结点自由度的梁单元和板壳单元的连接问题。另外,一般塔机都具有几百甚至几千根杆件,其输入数据文件已经很大,如果再同时分析回转机构的板壳结构,更将大大增大数据文件,甚至超出了计算机的工作能力。

  塔身与起重臂,塔身与平衡臂的连接用节点耦合的方法模拟销轴连接,这样更趋于实际情况,塔身与塔顶的连接直接用节点连接在一起。塔臂和平衡臂的悬索选用杆件单元连接。

  各部分杆件的材料属性均取用钢材的属性,即弹性模量210GPa,泊松比0.3,密度7800kg/m.建立的有限元模型如图1所示。

  2结果分析

  根据该有限元程序对结构的振动模态分析计算的要求,在进行塔式起重机的振动模态分析时只需要考虑塔式起重机结构体系的自重和零位移约束,而不必涉及其它的荷载作用。按上述方法建立的计算模型无论是从节点的约束能力来看,还是从结构的受力来看,都与实际结构非常接近。

  由振动理论可知,对于一个多自由度振动系统而言,低阶固有频率对系统的动力响应贡献较大,而高阶固有频率影响较小,所以对多自由度系统只要提取其低阶固有频率就能很好地反映系统的动力特性。

  塔机结构的1阶振型是塔机绕塔身在水平面内的扭转振动,振动频率为0.15370Hz.对应于第2阶振型,反映了塔式起重机绕固定点的前后弯曲振动,振动频率为0.24577Hz.对应于第3阶振型,反映了塔式起重机绕固定点左右的摆动,振动频率为0.53605Hz.对应于第4阶振型,反映了塔臂和平衡臂绕塔身前后弯曲的振动,振动频率为0.62761 Hz.对应于第5阶振型,反映了塔臂和平衡臂绕在水平面内的弯曲振动,振动频率为1.5682Hz。

  为了验证模型分析的结果,采用富友公司生产的抗倾翻监控仪,安装在塔机塔身顶部,采样频率为4Hz,采用环境激励的方法,对测得的数据用随机减量法进行处理。实际信号的分析中,第1阶,第4阶固有频率不太明显,可能是因为实测的信号中该两阶模态在环境激励下没有很好的激发出来,其次,是它们对整体模态的贡献较小(这需要进一步通过DC增益等理论确定,在以后的它文中专门论述)。对应于第2阶,第3阶,第5阶模态的频率分别为0.24577Hz,0.54688Hz,1.5703Hz(实测信号分析中存在的1 Hz左右的频率为激励谱的峰值频率,即外界优势频率)。可以清晰的看到笔者建立的计算模型,与实测结果十分接近,最大误差为3.20%,完全达到了工程计算误差许可范围,也证明了本模型建立方法的有效性。

  3结论

  笔者探讨了利用有限元程序ANSYS对塔式起重机的建模方法,对塔式起重机结构建立有限元模型时,对各个杆件和节点的处理必须根据其受力特点进行合理的分析和优化,这一点尤为重要,这样可以使计算模型更接近于实际结构,得到的计算结果才更加真实可信,从而可以在一定程度上代替现场测试。对建立的有限元模型进行了固有模态的分析计算。为了验证所建模型的有效性,对同类型号的塔机进行了实际振动信号的测取,并将实测信号的分析结果与模型分析结果进行了对比,证明建模结果合理可信,说明该方法是可行的。

  通过上面的模态分析,验证了有限元模型的正确性,为进一步进行冲击响应分析,谐响应分析,谱分析等更详细的动力学分析以及结构损伤判断等作好了准备。

   

   

 

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