简析工字钢支腿的单轨电动葫芦门架的水平振动

杨小姜 巩 锐

(江苏省特种设备安全监督检验研究院 无锡分院，江苏 无锡 214000）

0 引言

轻小型起重设备中有一类无大车行走机构、仅依靠电动葫芦上下提升重物的设备，通常称之为单轨电动葫芦。这类设备中有的葫芦单独安装在工字钢上，结构一般为门架式，多见于建筑安装公司、电力、船舶、给排水和污水处理等基础建设工程现场。

笔者在平时的单轨葫芦的验收检验中，与使用单位交流时经常听到他们抱怨施工单位没有将其门架安装可靠，原因是他们看到葫芦运行停止后，葫芦连同门架水平晃动较大，心理上感觉不安全；施工单位则感到“委屈”，他们称完全按照施工方案施工，上部门架有一定晃动（振动）属于正常现象，并且现在没有一个标准说振动幅度要在某个范围之内。在“用户就是上帝”的今天，为让客户满意，施工单位经常请教我们应该如何减小这个晃动，以满足使用单位心理感觉上的安全可靠。有鉴于此，现对这种设备的门架振动作一个分析。

1 模型的建立。

图1是单轨电动葫芦门架水平振动模型。门架四条支腿均为工字钢结构,底端固定在混凝土的桩基上，上端通过螺栓与横梁连接。主梁为箱型结构，与横梁通过螺栓固定连接。设四条工字钢支腿长度均为l，葫芦启动后以时间Δt达到运行速度v。葫芦自重m，通过驱动轮与主梁下部工字钢的摩擦实现行走。工作时，上部门架因为葫芦的行走发生水平晃动，以最初的振幅最大，以后逐渐衰减，设最初的振幅为δ。

图1 单轨葫芦门架模型

2 方程的建立

以葫芦空载运行为例，建立支腿上端弹性变形的公式。

1）设每根工字钢支腿的刚度为k，则根据振动理论[1]：

其中，E为工字钢支腿的弹性模量，I为工字钢梁的惯性矩。

2）葫芦在工字钢上的行走，是靠驱动轮与工字钢的摩擦实现的。工字钢对葫芦的摩擦力f的冲量，等于葫芦的动量增加量。由于作用时间短，此处认为摩擦力f是常数，则有冲量定理：

3）工字钢对葫芦的摩擦力f与葫芦对工字钢的摩擦力f1是一对作用力和反作用力，f=-f1。葫芦对工字钢的摩擦力提供了支腿弹性变形的初始作用力，假设四根支腿受力相同，根据胡克定律f1=-4kδ，则位移

3 对变形公式的探讨

由公式（3）可以看出，门架晃动（水平振幅）大小与工字钢的材料E，截面形状I，支腿长短l，葫芦重量m（空载时）及葫芦启动时的瞬时加速度v/Δt都有关。

1）与m的关系

空载时，葫芦自重m越小，振动幅度δ越小。在满足使用要求的情况下，使用自重轻的葫芦，可以减小晃动。起升重物后，其他条件不变的情况下，振幅δ会变大。有载运行会比空载运行晃动厉害。

2）与 l的关系

从公式上看δ与l是三次方的关系，相比于其他因素，振动幅度对门架支腿长度的变化更敏感。因此，满足起升高度要求的情况下，尽量缩短支腿长度，会明显减少门架的晃动。施工中可以在工字钢振动方向上加斜支撑，实际变相缩短了支腿有效长度，可以大大减弱门架的晃动。

3）与E的关系

从公式上看是反比关系，即选用较大弹性模量的钢材做支腿，比小弹性模量的支腿晃动小。下表给出了几种常用的钢材的弹性模量数据，可以看出几种钢材的弹性模量相差不大，因此变换支腿钢材型号对减小晃动作用并不明显。

4）与 I的关系

工字钢的型号已经标准化，惯性矩大的，振动幅度较小，但是选用时也要综合考虑价格等因素，选用实用的型号。

5）与 v/Δt的关系

模型理想化之后是以匀加速处理的，但是实际启动过程并不是匀加速，v/Δt表现为瞬时加速度。瞬时加速度大，葫芦启动的冲击较大，晃动厉害。因此控制瞬时加速度的极大值也是减小振动的方法。工程实际中可以对葫芦使用软启动电机驱动，以降低冲击，减弱振动。同时需要注意的是，一般电机驱动的葫芦在启动时不宜频繁点动运行，以避免振动叠加造成门架更大的晃动。

综述，施工或者使用过程中发现工字钢支腿的单轨葫芦门架上端振动较大，可以综合考虑影响振动幅度大小的几个因素，来改善门架或主梁的工作条件。

[1]William T.Thomson，Marie Dillon Dahleh Theory of vibration with Applicationgs（fifth Edition）[M].北京：清华大学出版社，36.