船用门式起重机动载荷的确定方法

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船用门式起重机(以下简称船用门机)在启动和制动的过程中承受着强烈的冲击振动 。 ，这种振动产生的动载荷必须考虑。长期以来，起重机设计大都将动态问题简化为静态问题处理 ，-些国家和国际起重机协会的起重机设计规范采用-个动载系数来考虑这种动载荷 ，虽然这样可使问题简单化，但其缺陷是不能准确地反映起重机的实际工况和动态性能 j。本文采用振动理论分析法和虚拟样机仿真法分析了 300 t/43 rnA型双梁船用门机起升、小车运行和大车运行三大机构联合启制动下的动力学问题，获得了不同工况下随时间变化的动载荷。得到的最大动载荷为船用门机动态有限元分析提供了依据。

1 基于振动理论的动载荷确定方法根据实际工况，将实际船用 门机结构进行简化 。

对于起升工况，建立了三质量三自由度模型，对于小车运行工况，建立了两质量两 自由度模型，对于大车运行工况 ，建立了三质量三自由度模型。

1.1 起升机构动力学模型及动载荷起升机构的动力学模型如图 I所示，图中 为电动机转子和机构中所有运动部分的推算质量，mq2为吊重的推算质量，它们用弹性件 kq相连。起升机构的驱动装置是装在弹性基础上(承载金属结构)的， 为基础的刚性，m 为基础的质量 ，Q，(t)为作用在质量 m 。上的激励力。

图I 起升机构启制动工况的动力学模型起升机构启动时，根据图 I的动力学模型得到质量m ，m mq2的运动微分方程 ：基金项目：质检公益性行业科研专项(201010060)作者简介：钱夏夷(1962-)，男，江苏南通人，高级工程师，硕士，研究方向为电梯测试技术。

· 88· http：//ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajouma1.net.ca《机械制造与自动化》· 机械制造 · 钱夏夷，等 ·船用门式起重机动载荷的确定方法～ (Sql-5q2 Q t) (1)m dZsqos (Sql-Sq2) (2)( - )( - Q (3)由于该加速力，(t)在起升机构启动这段很短的时间内随时间的变化相对较慢，故可简化取，(t)-Pq 常数。

联立式(1)、(2)、(3)经推导得到钢丝绳所受的弹力：Fq(t)(s -s ：) -： P qlmq2 ×[1.咖 。

m qtm g2式 起升机构制动时，根据图m扣，m m 的运动微分方程：根据图2的动力学模型得到吊重的运动微分方程：号 同理取 z)- 常数，推导得到吊重的摆幅：P l( ) -(m omx-lrex2)g[1-c0 痛 最后得到钢丝绳的受力载荷：( ) ox 最 [1c0s /g(1 m 2)1的动力学模型得到质量 1.3 大车运行机构动力学模型及动载荷m dZsos Ji ( - )尼 (5)(Sql-$q2 - (6)d sm -(Sql-Sq2)kq-Q (7)式中P 为制动力。

联立式(5)、(6)、(7)经推导得到钢丝绳所受的弹性张力：c cs -s ，后 ；： [cos /kq"(%m mqz)t-1 Q(8)1.2 小车运行机构动力学模型及动载荷小车运行机构启制动时吊重的水平惯性力使悬吊货物的钢丝绳相对铅垂线产生偏摆角，即引起吊重对钢丝绳的动载荷。

小车运行机构的动力学模型如图 2所示，图中 m 为起重小车的推算质量，m 为小车运行机构的推算质量，m 为吊重质量， 为在随小车运动的坐标系中吊重的摆幅，s 为在瞬时t小车距离固定坐标原点的距离，g为重力加速度 ， 为吊重起升时钢丝绳的长度。

图2 小车运行机构启制动工况的动力学模型Machine Building Automation， n 2013，42(4)：88-91同小车运行时相似，大车运行机构启制动时货物的水平惯性力也会引起钢丝绳的偏摆 ，从而引起吊重对钢丝绳的动载荷。

大车运行机构的动力学模型如图 3、图 4所示，两图中m加为船用门机大车的推算质量，m 。为大车传动系统的推算质量，m 为移动的吊重质量，s∞和 s 。为质量 m抛、m的位移，s 为吊重对铅垂线的偏距，g为重力加速度， 为吊重起升时钢丝绳的长度，t表示时间，P 和 表示推算的加速载荷力和起重机的运行静阻力， 为起重机运行机构传动零件(主要是轴)的推算刚性。

，‰ 图 3 大车运行机构启动工况的动力学模型，a图4 大车运行机构制动工况的动力学模型· 89·· 机械制造 · 钱夏夷，等 ·船用门式起重机动载荷的确定方法7所示。

毒L M ， 。I LL L Ll- I 1- I l I- f0rce(a)起升工况.I。

J Jfft/s(b)小车运行工况-...儿J hr-，” i小， - - 嘲 I(C)大车运行工况图7 钢丝绳张力曲线O对于起升工况，如图 7(a)所示 ：0-5.28 s为起升机构启动阶段 ，此时吊重加速上升，平均载荷力要比实 际吊重大；5.28-29.61 s为匀速运行阶段，载荷力等于吊重自重；29.61-32.5 s为起升机构制动阶段 ，平均载荷力变校对于小车运行工况，如图7(b)所示：0-3.63 s为启动阶段 ，机构做加速运动，3.63-30.5 8为平稳上升阶段，机构做匀速运动，30.5-32.5 s为制动阶段，机构做减速运动。在启、制动阶段，小车运行机构吊重的水平惯性力使悬吊货物的钢丝绳相对铅垂线产生偏摆 ，引起钢丝绳的动载荷。

对于大车运行工况，如图7(C)所示：0-4.98 s为启动阶段 ，机构做加速运动 ，4.98-12.44 s为平稳上升阶段 ，机构做匀速运动，12.4-17 s为制动阶段，机构做减速运动。

在启、制动阶段，大车运行机构吊重的水平惯性力引起钢丝绳的偏摆 ，产生钢丝绳的动载荷。

3 两种方法的比较在启、制动阶段，船用门机承受较大的冲击动载，以Machine Building曾 Automation，fun 2013，42(4)：88～9J上采用基于振动理论的动载荷确定方法和基于虚拟样机的动载荷确定方法分别得到随时间变化的动载荷。针对300 t/43 mA型双梁船用门机，根据技术性能参数表，分别得到了最大动载荷，如表 1所示。

表 1 两种方法的最大动载荷比较通过比较，两种方法得到的最大动载荷比较接近，仿真值较理论值偏大，偏向于安全。但他们各有特点，基于振动理论的动载荷确定方法对实际船用门机结构进行简化 ，根据模型形成系统的动力学方程，最后求解动力学方程。由于在简化的过程中存在假设 ，与实际系统有-定误差。而基于虚拟样机的动载荷确定方法，利用 PRO/E和ADAMS联合建模法建立船用门机虚拟样机并进行动力学仿真，此方法以多体动力学为支撑，较直观 ，操作灵活，但需掌握-定的专业知识。

4 结语采用基于振动理论的动载荷确定方法和基于虚拟样机的动载荷确定方法分别进行微分方程求解和仿真模拟 ，得到了船用门机三大机构在不 同工况下随时间变化的动载荷，并对典型机型最大动载荷进行 比较 ，得 到的最大动载荷为船用 门式起重机动态有限元分析提供 了数据支撑。