（机械设计及理论专业论文）集装箱门式起重机动态仿真与疲劳寿命研究.pdf

l 西南交通大学博士学位论文第1 页 摘要 本文研究集装箱门式起重机u 型门架结构及其刚性减摇系统的动态仿真和疲 劳寿命估算“住要内容如下： 由于u 型门架结构小车轨距较大，本文建立了考虑小车架为弹性结构时门式 起重机的三质量三自由度串联弹性动力学振动模型，用模态分析法求解振动系统 微分方程组的数值精确解。通过编程计算与实例仿真表明，门架结构、小车架结 构和钢绳滑轮系统的动载系数各不相同，起重机设计规范推荐的起升动载系数实 际是钢绳滑轮系统的，用于门架结构计算数值偏小；工程设计时获得门架结构动 态特性采用吊重( 包括小车) 和门架双质量简化系统，获得小车架动态特性采用 吊重和小车双质量简化系统，其仿真结果满足工程精度，而对于与时间历程相关 的动态设计应采用三质量简化系统的仿真结果更为准确。 门式起重机结构参数对其动态性能有着直接的影响。根据门式起重机仿真结 果和多元函数逐个分解方法，分析了门架和小车架的动载系数卿、p ：和固有频率 0 3 。、：等动态指标与门架质量毋、门架刚度彤、小车架质量小车架刚度局、 小车位置a 和小车轨距j ，等结构参数之间的变化规律和影响因素，并利用优化设 计方法，建立优化模型进行动态求解，获得了门式起重机综合动态性能指标达到 最佳时其系统结构参数的组合值，从而为工程设计提供了有益的参考。 集装箱专用门式起重机剐性减摇系统直接影响装卸作业效率，其摆动过程的 动态仿真是整机设计的关键技术。本文将刚性减摇系统简化为四质量四自由度振 动模型，用时间单元法求解系统在运行小车制动和碰撞缓冲器两工况下的动态响 应。通过编程计算与实例仿真，得到了系统固有频率与结构参数之间的变化关系。 对仿真得到的系统动态特性分析表明，刚性导杆减摇系统的减摇效果十分明显。 门式起重机是一种起重升降和小车运行相互耦合反复运动并造成结构复合振 动的机械，传统的弹性模型无法模拟结构相互耦合连系且固有模态连续变化的复 杂系统。本文将门架系统简化为一次超静定刚架结构，以门架垂向位移f 和横向 位移目、钢绳伸长变形 和偏摆角口为变量来表征起重机各种复合工况下的运动 参数，根据结构位移曲线求得门架结构的等效质量、等效刚度和等效阻尼系数， 2 0 0 5 第1 i 页西南交通大学博士学位论文 应用达朗贝尔原理建立了门架系统耦合振动的微分方程组，用n e w m a r k 显式算法 获得门架振动系统的动态响应。通过编程计算和动态仿真，可以得到在起重量、 起升高度和小车位置等参数随机变化的任一作业过程中，门架结构任一截面位置 的振动响应曲线和应力历程。通过起重机实际作业过程的模拟和多个作业循环的 动态仿真，即可获得门架结构危险截面的应力幅谱，从而为起重机结构的疲劳设 计和寿命估算奠定了基础。 门式起重机金属结构是典型的焊接结构，且承受随机载荷，应力幅值是决定 其疲劳损伤的主要因素。本文将三峰谷计数法则加以改进，克服了应力幅谱模拟 时初始峰值带来的误差。同时根据动态仿真得到的应力幅值分布函数，应用 m o n t e - c a r l o 模拟法产生应力幅峰谷值，用改进的计数法则循环计数，获得疲劳 寿命估算时的应力幅谱，通过编程可使得结构疲劳寿命估算与应力幅谱的模拟产 生同步实现。 鉴于疲劳损伤的累积过程从本质上讲是一种非线性的不可逆过程，某一加载 时刻的损伤量与当前的损伤状态有关，在充分利用已有实验数据和研究成果的前 提下，通过定义单个载荷循环所造成的疲劳损伤量，给出了一个适合于结构疲劳 过程进行模拟分析的非线性疲劳损伤累积模型，并发展了一种在随机载荷作用下 门式起重机焊接箱形梁疲劳寿命估算的计算机模拟算法，从计算实例的分析表 明，该损伤法则和模拟算法是实用和可行的。 疲劳开裂是门式起重机焊接结构的主要失效形式之一，其疲劳寿命主要取决 于疲劳裂纹的稳定扩展阶段。本文根据前人的试验和研究成果，总结确定了门式 起重机焊接箱形梁材料和结构参数疗值，裂纹形状修正系数f 值，初始裂纹 长度口。值，临界裂纹长度以值等。同时以等幅载荷裂纹扩展公式为基础，提出了 一种疲劳裂纹扩展寿命估算的时间循环计算方法。该法具有简便实用的特点，且 计算结果与实际情况相符。 通过本文的研究，丰富并发展了门式起重机动态仿真设计和疲劳寿命估算的 理论，为门式起重机的动态特性计算、应力历程和应力幅谱的模拟产生、疲劳寿 命估算等提供了实用的方法0 、i 一j 【关t 词】 门式起重机集装箱超重机刚性减摇焊接结构动态仿真动态特性系统模型 。寿命估算猿劳寿命璇劳损伤雨流计数法随机载荷裂纹扩展 2 0 0 0 0 5 、 西南交通大学博士学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t st h es t u d i e so fu s h a p eg a n t r ys t r u c t u r eo fc o n t a i n e rg a n t r y c r a n e ，a n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n df a t i g u el i f ee s t i m a t i o no fi t sr i g i da n t i s w a y t h e m a i nc o n t e n d sa r ea sf o l l o w s ： s u p p o s e dt h a tt r o l l e yf r a m ei sc o m p o s e do fs p r i n gs t r u c t u r e ，d u et ol a r g e rt r o l l e y g a u g eo fu s h a p eg a n t r y s t r u c t u r e f o rt h e g a n t r yc r a n e ，a s e r i e s s p r i n gd y n a m i c v i b r a t i n gm o d e lw i t l lt h r e em a s s e s t h r e ef r e e d o m so fd e g r e e si sb u i l ti nt h i st h e s i sa n d v i b r a t i n g c a l c u l u s e q u a t i o n s a r e p r e c i s e l y r e s o l v e d b ym o d ea n a l y s e s r u l e w i t h c o m p u t i n ga n d i n s t a n c e s i m u l a t i o n ，s o m er e s u l t s h o wt h a tt h e d y n a m i cr e s p o n s e c o e f f i c i e n t so fg a n t r ys t r u c t u r e ，a n dt r o l l e yf r a m ea n dw i r er o p ep u l l e ys y s t e ma r e d i f f e r e n t t h e l i f t i n gd y n a m i cr e s p o n s e c o e f f i c i e n tr e c o m m e n d e d b y t h et e c h n i c a l d o c u m e n t ，i nf a c t , i so n l yf i tf o rw i r er o p ep u l l e ys y s t e m ，w h i c hi sal i t t l es m a l l e rf o r g a n t r ys t r u c t u r e i ne n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fg a n t r ys t r u c t u r ei s o b t a i n e db yd o u b l em a s ss i m p l i l y i n gs y s t e m 诚t l lh a n g i n gl o a d ( i n c l u d i n gt r o l l e y ) a n d g a n t r ys t r u c t u r e ，t h a to ft r o l l e yb yd o u b l es i m p l i f y i n gs y s t e mw i t hh a n g i n gl o a da n d t r o l l e y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t si sp r e c i s ee n o u g h f o re n g i n e e r i n g h o w e v e r , f o ra d y n a m i c d e s i g nr e l a t i v et ot i m eh i s t o r y , t h em o r ep r e c i s er e s u l t sb ys i m p l i f y i n gs y s t e ma sat h r e e m a s s e s s y s t e m a r en e c e s s a r y t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fg a n t r yc r a n eh a v ed i r e c te f f e c t so ni t s d y n a m i c p r o p e r t y a c c o r d i n g t ot h e s i m u l a t i n g r e s u l to fg a n t r yc r a n ea n d o n e - b y - o n e d e c o m p o s i n gr u l eo fp l o y f u n c t i o n , t h ev a r y i n gl a wa n df a c t o r sa m o n gt h ed y n a m i c r e s p o n s ec o e f f i c i e n t s 办，如o f g a n t r ys t r u c t u r ea n dt r o l l e yf r a m e , t h en a t u r a lf i e q u e n c y 2 0 0 0 0 5 第1 v 页西南交通大学博士学位论文 l ，2 ，e t c a n dt h em a s sm l ，s t i f f n e s s 毛o fg a n t r ys t r u c t u r e ，t h e m a s s m 2 ，s t i f f n e s s k 2o ft r o l l e yf l a m e ，t h ep o s i t i o nao f t r o l l e ya n dt r o l l e yg a u g et ，a r ea n a l y z e d ，a n da c o m b i n e dv a l u eo f g a n t r yc r a n e s 仃u c t l l r ep a r a m e t e ri so b t a i n e db y b u i l d i n gao p t i m i z i n g m o d e la n dr e s o l v i n gi t t h er e s u l to f f e r sau s e f u lr e f e r e n c ef o re n g i n e e r i n g d e s i g n t h e r i g i da n t i - s w a y o fc o n t a i n e r s p e c i a lg a n t r y c r a n eh a sa f f l u e n c eo nt h e e f f i c i e n c y o fl o a d i n g ( u n l o a d i n g ) t h e a n t i s w a y s i m u l a t i o ni st h e k e yd o m i n a n t t e c h n o l o g yo fc r a n ed e s i g n i nt h i s t h e s i sw es i m p l i f y r i g i da n t i s w a ys y s t e ma s a v i b r a t i n gm o d e lw i t hf o u rm a s s e sa n df o u rf r e e d o m so fd e g r e e s ，a n db yt i m ee l e m e n t m e t h o dw er e s o l v et h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft w oc a s e si nw h i c ht h et r o l l e yb r a k e sa n d c o l l i d e sb u m p e ri nw o r k i n g r e s p e c t i v e l y p r o g r a m m i n ga n dc a s e s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h ev a r i a t i o n so fr e l a t i o nb e t w e e n s y s t e mn a t u r a lf r e q u e n c ya n ds 廿1 l c n i r ep a r a m e t e r b ya n a l y z i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o ft h es i m u l a t e ds y s t e m i ti so b v i o u st h a tr i g i dg u i d er o da n t i - s w a yh a sb e t t e re f f e c ti n a n t i s w a y g a n t r yc r a n ei sa k i n do fm a c h i n es y s t e mi nw h i c ht h el i f t i n ga n dt r o l l e yu s u a l l y w o r ka ts a m et i m e s ot h es t r u c t u r es y n t h e s i z i n gv i b r a t i o n so c c u r c o n v e n t i o n a ls p r i n g m o d e lh a sn oi d e at os i m u l a t et h ec o m p l i c a t e ds y s t e mw i t l lt h ep r o p e r t i e so fs t r u c n l r e c o u p l i n ga n d n a t u r a lm o d e c o n t i n u a l l yv a r y i n g h e r e w e s i m p l i f yg a n t r ys y s t e m a so n e - o r d e rs t a t i c a l l yd e t e r m i n a t e r i g i d s t r u c t u r e s e t t i n gg a n t r y v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t 孝， t r a n s v e r s ed i s p l a c e m e n t r ，a n dw i r er o p ee x t e n s i o nd e f o r m a t i o n 旯a n ds w a y i n ga n g l e 0a sv a r i a b l e st od e s c r i b et h em o t i o np a r a m e t e rw h e nc r a n ei si nd i f f e r e n tc a s e s o nt h e b a s i so fs n u c t l l r ed i s p l a c e m e n tc u r v e ，w eg e te q u i v a l e n tm a s s ，s t i f f n e s sa n dd a m p i n go f g a n t r ys n - i l c t u r e a n dc o n s t r u c tc a l c u l u se q u a t i o n so fg a n t r ys 订u c n l r ec o u p l i n gs y s t e m w i t l ld a l e m b l e n tr u l e a n do b t a i nd y n a m i c r e s p o n s e w i mn e w m a r k a l g o r i t h m f i n a l l y , b yc o m p u t i n ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o n ，c o n c e d i n gt h ec a s ei nw h i c hl i f t i n gc a p a c i t y , 2 0 0 5 了 、 西南交通大学博士学位论文第v 页 l i f t i n ge l e v a t i o na n dt r o l l e yp o s i t i o na r ev a r yr a n d o m l y , v i b r a t i n gr e s p o n s ec u r v ea n d r e s p o n s ep a t ho fa n ys e c t i o no fg a n t r ys t r u c t u r e a r co b t a i n e d s i m u l a t i n go n ea n dm o r e c a s e so fc r a n e ，t h es t r e s sa m p l i t u d eo ft h ed a n g e r o u ss e c t i o no fg a n t r ys t r u c t u r ec a nb e f o u n d ，w h i c hl a yt h eb a s i sf o rf a t i g u ed e s i g na n d l i f ep r e d i c t i o nf o rc r a n es t r u c t u r e g a n t r yc r a n ei so n ek i n do ft y p i c a lw e l d e ds t r u c t u r e sa n dc a r r i e sr a n d o ml o a d i n g t h es t r e s sa m p l i t u d ei sak e yf a c t o rt h a td e t e r m i n e si t sf a t i g u ed a m a g e i nt h i st h e s i sw e i m p r o v et h r e e e x t r e m ec o u n t i n gr u l e ，o v e r c o m i n gt h ee r r o rt h a ti n i t i a le x t r e m ev a l u e p r o d u c e s w h e ns t r e s s a m p l i t u d e i ss i m u l a t e d a tt h es a n l e t i m e ，b a s e do ns t r e s s a m p l i t u d ed i s t r i b u t e df u n c t i o nf r o md y n a m i cs i m u l a t i o n ，s t r e s sa m p l i t u d ei sg e n e r a t e d b ym o t e - c a r l or u l e ，w i t h ai m p r o v e dc y c l e c o u n t i n gr u l e a s ar e s u l t ，t h es 仃e s s a m p l i t u d es p e c t r u m o f f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o n i s p r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，b y p r o g r a m m i n g ，w ec a ng e t o u to n l ys t r u c t u r e f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o n ，b u tt h e s t r e s s a m p l i t u d es p e c t r u ma sw e l l d u et ot h ef a c t t h a tt h ec u m u l a t i v ep r o c e d u r eo ff a t i g u e d a m a g ei sb a s i c a l l y n o n l i n e a ra n dn o n r e v e r s i b l e ，t h ed a m a g ev a l u eh a ss o m e t h i n gt od ow i t ht h ed a m a g e s t a t u sa tt h el o a d i n gm o m e n t o nt h ed a t aa n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n ti nt h ep a s t ，w e d e f i n et h ef a t i g u ed a m a g ev a l u eg e n e r a t e db ys i n g l ec y c l el o a d i n g ，p r e s e n tan o n l i n e a r f a t i g u ed a m a g ec u m u l a t i v em o d e lw h i c h i sf i tf o rs i m u l a t i n ga n a l y s e si nt h es t r u c t u r e f a t i g u e ，a n dd e v e l o pas i m u l a t i n ga l g o r i t h mf o rg a n t r yc r a n ew e l d e db o xg i r d e rf a t i g u e l i f ep r e d i c t i o n i nt h ec o n d i t i o no fr a n d o ml o a d i n g ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed a m a g e r u l ea n d s i m u l a t i n ga l g o r i t h m i sf e a s i b l e f a t i g u ec r a c k i so n e o f p r i m a r yf a t i g u et y p e s t h ef a t i g u el i f ei sm a i n l yd e t e r m i n e d b y t h es t a b l ep r o p a g a t i o n p e r i o do f f a t i g u ec r a c k o nt h eb a s i so f p a s tr e s e a r c hw o r k ，w e g i v et h ev a l u eo fg a n t r yc r a n ew e l d e db o xg i r d e rm a t e r i a lc ，s t r u c t u r ep a r a m e t e rn ， c r a c ks h a p ec o r r e c t i o nc o e f f i c i e n tv a l u ef ，i n i t i a lc r a c kl e n g t hv a l u e a 0 ，c r i t i c a lc r a c k 2 0 0 5 墨墨堕妻銮望奎兰堡主兰堡堡苎。 l e n g t hv a l u e 口。，e t e m e a n w h i l e ，b a s e d o n e q u i v a l e n ta m p l i t u d el o a d i n g c r a c k s p r e a d i n ge q u m i o n ，w ep r e s e n tt i m ec y c l ea l g o r i t h mf o rp r e d i c t i o n o ff a t i g u ec r a c k g r o w t h l i f e t h ea l g o r i t h mi sv e r ys i m p l e ，p r a c t i c a l ，a n dt h er e s u l ti si na c c o r d a n c ew i t h t h et e s td a t e t h er e s e a r c ho f t h i st h e s i sn o t o n l y e x t e n d sa n d d e v e l o p s t h et h e o r yo f g a n t r yc r a n e d y n a m i cd e s i g na n df a t i g u el i f ep r e d i c t i o n ，b u ta l s oo f f e r ss o m ep r a c t i c a lm e t h o d sf o r d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc a l c u l a t i n g ，s t r e s sh i s t o r y , s t r e s sa m p l i t u d es p e c t r u ms i m u l a t i o n ， a n d f a t i g u el i f ep r e d i c t i o no fg a n t r y c r a n e i k e y w o r d s jg a n t r yc r a n e ；c o n t a i n e rc r a n e ；r i g i da n t i - s w a y ；w e l d e ds t r u c t u r e ； d y n a m i cs i m u l a t i o n ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；s y s t e mm o d e l ； l i f ep r e d i c t i o n ；f a t i g u e l i f e ：f a t i g u ed a m a g e ；r a i n f l o wc o u n t i n g ； r a n d o m l o a d i n g ；c r a c kp r o p a g a t i o n t 西南交通大学博士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 概述 轨行门式起重机是铁路货场的主型装卸机械，全路共有1 1 0 0 多台，分布在9 0 0 多个站场，每年完成约3 亿吨装卸量。随着我国铁路集装箱运量以每年3 0 的 速度递增，门式起重机的作业对象逐步以集装箱装卸为主。而动力吊具式集装箱 专用门式起重机全路仅有4 台，绝大部分为简易吊具通用型门式起重机。 铁路门式起重机钢结构形状有c 、l 单梁和a 、u 双梁等类型 2 - 3 ，且有8 0 0 多台是2 0 1 0 t 起重能力的u 型门式起重机。u 型结构不但受力状态好，而且集装 箱过腿空间大，是集装箱门式起重机的首选结构型式”1 。 铁路集装箱运输今后发展的目标是逐步淘汰5 t 和1 0 t 铁路集装箱，大力发 展2 0 f t 和4 0 f t 集装箱运输。因此，为适应铁路集装箱装卸作业的需要，铁路门 式起重机发展趋势为：( 1 ) 改造现役技术状态较好的2 0 t u 型门式起重机，通过结 构加固和机构改造，使其达到增吨( 2 6 t ) 目的，满足2 0 f t 集装箱装卸作业要求哺9 。 ( 2 ) 新置门式起重机的起重量应为2 6 t 、3 6 t 、4 0 t 和5 0 t ，以适应2 0 f t 、4 0 f t 及更 大吨位集装箱的装卸需求。( 3 ) 逐步发展四吊点带动力吊具和防摇装置的集装箱专 用门式起重机，以减少箱货损坏，提高装卸作业效率和自动化作业程度。 u 型门式起重机门架结构重量约占起重机总重量的7 0 ，且对起重机零部件 尺寸和重量、能耗、轨道基础和安装等费用都有很大影响，因此起重机金属结构 是现代设计与方法研究的重点 1 ”“ 。同时，门式起重机是在复杂工况下作业的大 型结构系统，其动态性能受多种因素影响，运动参数与载荷不能用一个简单的数 学模型描述，以往的静态设计方法具有局限性，因此在铁路大吨位u 型门式起重 机的设计中，应采用动态仿真设计新方法，即用计算机对机构和结构在各种工况 下承受载荷和结构响应进行运行状态及随时间变化过程的仿真模拟，得到仿真输 出参数和结果，并对其位移、速度、加速度以及载荷响应作幅域、时域及频域的 统计分析，以此来估计和推断实际运行的各种数据，其结果供实际设计使用。 门式起重机是典型的焊接结构，其主要失效形式之一就是在随机载荷作用下 墨! 里亘童奎望查堂苎主堂垡堡苎 的疲劳破坏。疲劳是材料在交变载荷作用下损伤逐渐累积的过程。由于疲劳破坏 前不会出现明显的宏观塑性变形，其破坏十分突然，往往造成灾难性事故。因此， 开展对门式起重机焊接结构，尤其对在役门式起重机结构的疲劳累积损伤规律的 研究，估算其疲劳或剩余疲劳寿命，对于预防疲劳断裂事故的发生，指导门式起 重机的设计、制造、检验和管理具有重要意义。 1 2 起重机动态仿真设计研究 起重机是一种经常起动、制动和反复运动的机械，在起动和制动过程中，机 构和结构承受强烈的冲击振动。这种冲击振动产生的动载荷不仅在构件静强度计 算中必须考虑，而且对构件的疲劳强度也有不容忽视的影响。所以这种复杂的动 力响应在结构设计中必须认真考虑 1 ”2 “。 长期以来，在起重机设计中都是将动态问题简化为静态问题处理，一些国家 和国际起重机协会的起重机设计规范( 例如西德d i n ，日本j i s ，英国b s ，中国 t g b 3 8 1 l 一8 3 和欧洲搬运工程协会f e m ) 均采用一个动载系数仍来考虑这种动态响 应。虽然这样可使问题简单化，但其最大的缺陷是不能够较为准确地反映起重机 的实际工况和动态性能，导致分析和设计计算的不合理及不准确性。随着计算理 论的发展和电子计算机的普及，国内外不少研究人员根据起重机实际结构及受载 特点，对起重机结构和机构的振动进行了大量的动态仿真计算和研究分析，使动 态仿真设计方法逐步应用于起重机的设计计算中。 1 2 1 动载系数法 动载系数法是将起升载荷乘以大于l 的动载系数仍来考虑动载效应的。而动 载系数仍则按起重机的类型、级别或起升等级直接给出数据或取为起升速度o 。 的线性函数。 德国是最早在起重机金属结构计算中引入动载系数仍的概念。他们在总结 1 9 2 6 年以来在桥梁结构工程计算方面取得的经验的基础上，于1 9 3 6 年公布了有 关起重机结构计算的标准d i n l 2 0 ，其中动载系数仍规定按起重机工作类型的轻、+ 中、重、特重级分别取为1 2 、1 4 、1 6 和1 9 。这一标准在起重机设计中使用 了3 0 多年，其基本观点在苏联、英国、日本、美国以及中国等被广泛接受，但 在取值方面略有差别。上述d i n l 2 0 标准按工作类型决定动载系数的方法并不合 2 0 0 n 0 5 西南交通大学博士学位论文 第3 页 理，且混淆了起升货物突然离地和运行冲击这两者动载系数。 1 9 5 2 年英国e d e n 将起升载荷按单自由度系统简化分析后得到了动载系数的 计算式 ( 0 2 ：1 + d _ m 2 k 一 ( 卜1 ) m 2 9 式中m ，_ 起升质量，即额定起重量； k 一滑轮组和结构的串联刚性； 1 2 1 一起升速度； g 一重力加速度。 此式对于桥式起重机可以得到满足工程精度要求的结果。 1 9 5 5 年英国l i g h t f o o t 啪3 根据简化理论计算及测试数据回归分析，提出了另 一计算动载系数的公式 ，：1 + 0 8 8 u | 、 m l k 2 ( 1 2 ) + m 2 9 式中m 。一结构的简化质量； k ，一滑轮组刚性。 此式没有考虑结构弹性的影响，结果偏于保守。 1 9 5 9 年苏联f ox6epr 4 1 在负载离地后不考虑钢丝绳弹性和振动的迭加 后，推荐了动载系数的计算式 州+ z u 去j 半 m s ， 式中k 一结构刚性。 此式作了较多的简化处理，计算结果误差偏大。 另外，1 9 5 7 年西德n e a g e b a u e r 嘶1 、1 9 6 5 年东德k u r t h 3 、1 9 7 1 年苏联i y k ej l - cxnn 2 7 1 等用二自由度系统分析方法，也都提出过动载系数类似的计算公 式。由于囿于分析系统的复杂性和计算手段的限制，他们提出的简化公式均有使 用局限性。 1 9 7 4 年4 月联邦德国以d i n l 5 0 1 8 标准取代了d i n l 2 0 标准，提出了以起升速 度决定动载系数的新概念，并按四种起升等级计算动载系数仍( 图卜1 中实线) 。 但令人费解的是四种起升等级相应的四条直线汇交于速度为一0 7 5 m s 的一点，导 2 0 0 5 第4 页 亘塑銮望奎鲎苎主兰垡笙壅 一 一一t 致当起升速度为零时动载系数不等于1 。 1 9 8 1 年起草的i s o t c 9 6 s c l n 1 9 5 标准仍沿用四种起升等级概念，但在动 载系数仍的取值上作了改进( 图卜1 中点划线) ，且四条直线汇交于当起升速度 为零时动载系数为1 0 的点上。 ，7 ，一。 00 ，7 f ， ，? ，一，： 1 “ 。 7 二一。二j ：， 7：7 一，一： i i 13 一，j f 一 z 2 ，。：。一一：一 1 i 图卜1 动载系数的比较 o ( m l s ) 1 9 8 2 年胡宗武【2 8 1 根据二自由度系统简化分析，考虑了起升质量、结构质量、 滑轮组弹性、结构弹性及离地速度等诸因素的影响，提出了动载系数简化的计算 公式 + 乓焉 式中y o _ 一额定载荷作用下货载悬挂点结构的静变位 0 - 一额定载荷作用下滑轮组的静变位； 6 一计及结构等效质量影响的系数； u0 _ 一货载离地瞬间吊钩的上升速度。 表i - i动载系数计算公式 ( 1 4 ) 起童机类别动载系数计算公式适用的起重机 l 仍= 1 + 0 1 7 u 安装用臂架起重机 2 仍= 1 + o 3 5 u 安装用桥吊、装卸用臂架吊 3 仍= 1 + 0 7 0 u 机加工用桥吊、装卸用门座吊 4 仍= 1 + 0 抓斗及电磁桥式起熏机 注：表中u 的单位为, s 当u l 时t 取u = 1 仍 仍， 因此不能简单地将两者等同起来。起重机设计规范 】3 1 推荐的起升动载系数计算公 式( 式卜4 ) 实际得到的是钢绳滑轮系统的动载系数，用于桥架结构计算动载系数 偏小，工程设计时可采用吊重和桥架双质量系统的动态仿真结果。 ( 5 ) f q 式起重机小车架和桥架结构两者的动载系数值不等，且仇 卿，因此也 不能简单地将两者等同起来，应加以区别。吊重和小车架双质量系统仿真结果表 明，此双质量系统小车架的动载系数和三质量系统小车架的动载系数结果相近。 因此，传统的小车架动载系数借用桥门架动载系数的观点应予以修正，工程设计 时可近似采用吊重和小车架双质量系统的动态仿真结果。 2 6 小结 ( 1 ) 本章着重建立了门式起重机三质量三自由度串联弹性动力学系统模型和振 动微分方程组，用模态分析法求解振动系统微分方程组的数值精确解，通过编程 计算并与传统的双质量比较表明，计算机仿真时建立的系统模型、理论分析和计 算方法是正确可信的。 ( 2 ) 模态分析法是求解多自由度振动系统瞬态响应数值解较好且应用较广泛的 方法，但它仅适用于求解刚度矩阵和质量矩阵均对称的运动微分方程组。 ( 3 ) 1 7 式起重机桥架、小车架和滑轮组的动载系数互不相同。在工程设计时， 桥架的动载系数可采用吊重和桥架( 包括小车架) 双质量简化系统的仿真结果， 小车架的动载系数可采用吊重和小车架( 不包括桥架) 双质量简化系统的仿真结 果。对于与时间历程相关的动态设计应以三质量简化系统的仿真结果较为准确。 ( 4 ) 1 7 式起重机各结构参数对其动态性能指标的影响将在下一章中加以讨论。 西南交通大学博士学位论文第3 3 页 第三章门式起重机结构参数的动态分析与优化设计 3 1引言 第二章对集装箱门式起重机建立了三质量三自由度串联弹性动力学系统模型 和振动微分方程组，用模态分析法获得了起重机各振动质点位移、速度、弹性力 等动态响应值的数值精确解。本章着重研究门式起重机各结构参数( 质量、刚度 系数等) 对起重机动态性能的影响。 动载系数和固有频率是起重机动态性能的主要动态指标 1 蚓。动载系数越小， 系统受力越好；固有频率越高，系统抗振性能越好。因而分析起重机结构系统各 质量和刚度系数对动力系数和固有频率的影响，可为起重机结构参数的合理确定 和优化设计打下基础。 起重机动态指标包括桥架和小车架的动载系数卿、伽和固有频率劬、：。 起重机结构参数包括桥架的质量用，和刚度系数膏，、小车架的质量恐和刚度系数也、 小车位置a 和小车轨距，等，由外部使用条件决定的跨度厶吊重毋，、钢绳滑轮 组刚度系数岛等参数不在考虑之列。因此本章的动态分析即指参数历，、勘冉，、岛、 a 、，。对指标卿、仇、c o l 、：的影响规律。由于两者之间关系复杂，难以用公式 表达，因此应用上一章的动态仿真程序，根据多元函数分析方法，通过改变某一 结构参数的数值而固定其它参数值来考察动态指标的变化规律，从而得到结构参 数和动态指标的变化关系。 3 2 系统质量对动态指标的影响 3 2 1 桥架质量脚j 不同桥架质量川对结构动态指标的影响情况如表3 一l 和图3 一l 所示。随着桥 架质量毋的增大，系统固有频率c 0 1 、e 0 2 随之减小，桥架动载系数卿也有所减小， 小车架动载系数仍变化不大。因此增大桥架质量，对改善其动载系数略为有利， 但对结构的抗振性能是不利的。实际设计时应尽量减小桥架质量码。 2 0 0 5 第3 4 页西南交通大学博士学位论文 表3 - 1 桥架质量毋对动态指标的影响 桥架质量固有频率( h z )动载系数 m 1 ( 1 0 4 k g ) 锄 0 ) 2锄仍 3 6 72 9 7 0 71 1 1 5 4 11 5 3 5l _ 6 9 3 3 8 72 9 2 8 9 1 1 0 1 7 0i 5 2 31 6 9 9 4 0 72 8 8 8 7 1 0 8 9 2 41 5 1 31 6 9 2 4 2 72 8 5 0 0 1 0 7 7 8 71 4 9 61 7 0 3 4 4 72 8 1 2 7 1 0 6 7 4 61 4 9 51 6 7 8 4 6 72 7 7 6 7 1 0 5 7 8 91 4 8 41 6 4 8 4 8 72 7 4 2 01 0 4 9 0 6i 4 8 4i 7 0 2 5 0 72 70 8 41 0 4 0 8 9 i 4 7 41 6 9 4 5 2 72 6 7 6 01 0 33 3 01 4 6 61 6 7 1 5 4 72 6 4 4 7 1 0 2 6 2 51 4 5 71 4 6 9 3 43 6 拍4 04 24 + 4 4 84 85 0 5 +