核电起重机起升故障动态特性研究

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Abstract：Based on the special lifting mechanism of the nuclear crane，a flexible multi.body dynamic model for COU-pling of the mechanism and bridge structure is established for nuclear crane at the time of the rope-breaking failure duringlifting.With two independent lifting winding systems for synchronously driving hooks up and down at both ends of the bal-ance lever，two conditions of with or without the damper are considered，with simulation comparison of both conditions an-der the rope-breaking by MatlabSimulink tool box，which shows the importance of seting vibration damper on the liftingmechanism of nuclear crane.Such damping device can mitigate and control the vibration of mechanism and girder structurein case of sudden accidents，and improve the operation safety of such cranes。

Keywords：nuclear crane； dynamic characteristics；multi-body coupling of mechanism and structure；vibrationdamper；research核电起重机主要由桥架结构、中央拱架、旋转机构与旋转导向系统、运行小车、安装小车、抗震装置及电气控制系统等组成。与普通起重机相比，核电起重机的质量要求严，设计标准高。

由于工作场所的特殊性 ，该类起重机必须保证安全可靠，作业定位准确。因此，对核电起重机故障状态的动特性分析的研究具有重要意义。

根据国内外学者对核电起重机各机构特性及控制系统的分析研究 ，本文通过核电起重机起升机构的特殊构造，研究缓冲减振装置对突发故障作业时减缓机构和整机的振动、控制振动幅度所发挥的作用。分别建立了起升断绳故障状态时有无缓冲液压缸 2种情况 的动力学模型，应用Simulink进行仿真模拟，分析主梁和重物的时域响应，验证了该缓冲液压缸装置可有效提高核电起重机的起升故障安全稳定性，能减缓结构与机构耦合系统的振动幅度。

1 机构与结构耦合弹性多体动力学模型1.1 核电起重机起升机构的特点如图1所示，在小车上 2个独立驱动且起升吊《起重运输机械》 2013 (5)钩的钢丝绳单联卷绕系统的2个绳尾设有均衡梁，小车架与均衡梁的两端之间用缓冲阻尼液压缸支撑 ，在均衡梁-端钢丝绳因故障松弛，另-端张紧绳使缓冲装置受压时起缓冲作用。当 2组动力装置都正常工作时，缓冲液压缸不起作用。

核电起重机起升机构钢丝绳缠绕系统采用空间交叉缠绕方案。如图2所示，当1组动力装置发生故障时，即-根钢丝绳断裂，均衡梁会像图 3所示那样绕 0点偏转振动。此时减振阻尼液压缸起缓冲作用，减少故障瞬间的动力冲击，以免对系统造成致命损坏，保障起升机构和整机的作业安全稳定性。在图 1～图3中，.， 为电动机转子和联轴器的转动惯量， 为制动轮与后部转动件及货物的折算转动惯量，m 为结构在载货悬挂点的转化质量，m 为取物装置和有效载荷的质量，k。

为传动轴扭转刚度，C。为传动轴阻尼，k 为桥架结构在悬挂点的刚度，c 为结构在悬挂点的阻尼，k 为滑轮组钢丝绳的刚度系数，C 为滑轮组钢丝绳阻尼，k 为钢丝绳尾平衡杠杆缓冲装置的刚度系数，C 为缓冲装置阻尼， 为电动机启动转矩，- - 1 -- 为机构静阻转矩，r为卷筒半径，n为滑轮组倍率，i为机构速比。

将起重机简化成有限质量和 自由度的弹性振动系统，视其为-个多质量多自由度的弹性系统，对该起升机构与桥架结构耦合的弹性振动系统来研究其动态特性。起重机起升机构正常工作时，最大的动力响应发生在货载离地起升和满速下降制动这 2个工况。通过研究核电起重机起吊额定起重量起升过程中发生断绳事故的系统动态响应问题，考察缓冲装置在事故状态时所起 的有利作用。

1.2 系统正常运行时的多体动力学模型如图 1所示，系统正常工作时缓冲液压缸不起作用，此时系统的动力学方程为M C KxF (1)式中： 为系统 自由度向量 ，F为外载荷 向量， 为质量矩 阵，c为阻尼矩阵，K为刚度矩阵。

其中： 1 2 1 2]F[ 0 0]C K ：2c0- c000M - 2c0c。 ( )- 2÷ .C2tnOr- C，C 2k0 -2ko 0 0- ko ( ) k2- · ：- · ：0 -2r ·k2 k1 2 k2 tn 。 。

，tn - 2 - 图 1 系统在正常起吊货物时动力学模型1.3 无缓冲装置突发故障时的多体动力学模型当系统没有设置减振缓冲装置，发生-根钢丝绳突然断裂事故时，系统振动方程为M C1 K1 F， (2)式中的系统 自由度向量 不变，外载荷向量F、质量矩阵 、阻尼矩阵 和刚度矩阵 分别表示为F[ 2 0 0C1K1M 2J2，r。c0I J00k0- ko00r- C，。 r- 。 C，ln - k0㈦- 三。

0n 1.4 设置了缓冲装置的系统故障动力学模型核电起重机起升机构的钢丝绳缠绕方法可以使2根钢丝绳能均衡的分配载荷，并在其中1根钢丝绳损坏时，另 1根钢丝绳能够保持住载荷，并《起重运输机械》 2013(5)维持吊具的平衡。钢丝绳的这种缠绕方式还避免了吊钩在升降过程中的水平移动。在平衡杠杆装置两端安装有缓冲液压缸，其作用是当 2根钢丝绳中的1根断裂后，另 1根钢丝绳以缓冲方式承受全部载荷。合理选择缓冲液压缸可把因 1根钢丝绳突然断裂的载荷冲击系数降低，减小事故状态下 1根钢丝绳承受的短时最大冲击载荷。通过建立系统发生故障时动力学模型，验证了起升机构缓冲液压缸对振动有-定的衰减，从而验证了该系统的优势。

图2和图3分别为系统发生-支绳突然断裂故障时，平衡杆绕转轴 0偏转，增加 1个 自由度。

其中图2 有缓冲液压缸在起升过程中发生故障时的动力学模型. -/1-ID -、 e 8二1KCk0 -ko 0 0 0- %%(云) k2了2 Irkz- r· ：- ·0 争(k2 ，)-k2 -。 - 0 - . ：o - o 0 0 0- c。 c。 ( )。 -去 -0 ÷ 詈c ) -c -c0 -去 型nc c： c：)0 -÷tn i'tc： c：j2 Simulink系统动态特性分析图 3 起升机构特殊构造故障状态时的细节图系统的动力学方程为M C KxF， (3)： [ 1 2 l X2]F[rt 2rr 0 0 0M 2J2《起重运输机械》 2013(5)0Simulink是用来进行动态系统仿真分析的集成软件包，利用 Simulink拈库的标准拈，并设置相应拈和仿真系统参数，实现式 (1) ～式(3)的系统仿真。

该方法建模、计算过程和结果分析简捷，能充分保证分析结果的精度，较好地解决了系统建模的准确性和数值求解之间的协调。同时，本研究的方法能方便地确定具体起重机在不同工况下的动载特性，克服了现有动载系数确定方法的不足，从而为起重机设计提供可靠的依据。

2.1 仿真参数及结果本系统仿真研究起升机构在起升过程 3 S时发生故障主梁和重物的时域响应。系统参数作了适当虚拟化处理，取值为 n6，i40，r0，5，m 1.04×10 kg，m21.29×10 kg，k18.8×10N/m，k22.76×10 N/m， l182 110 N ·s/m，C259 000 N ·s/m，J124.5 kg·m ，J20.7 kg·m ， 3 933 N ·m， 3 071 N ·m。图 4、表 1和表2为仿真的结果。

2.2 仿真结果对比分析由图4、表 1和表 2可见，系统发生故障时，系统有缓冲液压缸装置比没有该装置时主梁位移- 3 - 表 1 主梁的仿真结果评价 位移/m 速度/(m·s ) 加速度/(m·s ) 部位指标 无缓冲液压缸 有缓冲液压缸 无缓冲液压缸 有缓冲液压缸 无缓冲液压缸 有缓冲液压缸最大值 0.021 5 O.O2l 5 O.O48 9 O.019 9 0.5l6 6 0.337 9主梁 最小值 0.004 3 O.008 2 -O.072 8 -0.055 3 -0.65l 2 -0.470 2标准差 0.o02 7 0.002 1 0.020 9 0.0123 6 0.177 8 0.1O4 5时间/s(a)时 间/s(c)；g景O403潍O2H 0l0时间/s(b)时间/sfd1(a)主梁速度的时间响应 (b)主梁加速度的时间响应(e)吊重加速度的时间响应 (d)主梁位移的时间响应 加缓冲液压缸 --没有缓冲液压缸图4 主梁和吊重的时间响应表 2 吊重的仿真结果加速度/(m·s ) 部位 评价指标无缓冲液压缸 有缓冲液压缸最大值 -0.453 8 -0.621 5吊重 最小值 -2.412 0 -2.412 0标准差 0.289 5 0.215 6振幅的最大值、最小值和标准差分别减小了0、90.7%和22.2%； 速度幅度的最大值、最小值和标准差分别减小 59.3%、24%和40.9%；加速度幅度的最大值、最小值和标准差分别减小 34.6%、27.8%和 41.2%。重物加速度幅度的最大值、最小值和标准差分别减小37%、0.0%和25.5%。

由仿真结果可知，起吊物的动载系数约降低12.11%，减小了事故状态下 1根钢丝绳承受的短时最大冲击载荷，主梁对应的动载系数也相应降低。这样就使作业突发故障时机构和主梁结构的振动得到较好的控制与缓解，使结构或机构件发生疲劳的时间有所延长，提高了核电起重机的故障作业安全性和稳定性。

- - 4 --3 结论1)本文根据核电起重机起升机构的工作特点和原理，建立起升机构与桥架结构耦合的多自由度弹性振动系统模型，详细分析了在起吊物离地起升过程发生故障时的动态响应♂果表明，与-般起重机的起升机构相比，该系统能有效地缩短 了载荷 的冲击 时 间和振动幅度。

2)核电起重机起升系统的特殊缠绕方式与缓冲液压缸的设置，对起重机发生故障的缓冲减振效果明显，能够充分保证系统的故障作业的安全性和稳定性，有着广阔的应用前景。