基于Workbench的固定式起重机振动失效检验仿真分析

叶玉龙 金鹏

摘要：固定式起重机是工业生产、运输、搬运等环节常用的机械设备，属于特种设备之一，其安全性和可靠性直接影响到现场工作人员的人身安全，因此对其进行检验检测显得尤为必要。现主要分析了固定式起重机的机械检验检测内容和方法，并通过Workbench软件对其振动失效检验进行了有限元仿真，以期为相关技术人员提供一定参考。

关键词：固定式起重机;检验方法;振动失效;有限元仿真

0 引言

起重机在工业生产中发挥着重要作用，其中固定式起重机由于具备便于操作、安全性高、经济适用性好等优势被广泛应用于港口运输、重工制造等行业。一旦固定式起重机发生故障，不仅会给生产企业带来不必要的经济损失，还会严重威胁现场工作人员的人身安全，因此需要对其进行定期和不定期的检验检测。

固定式起重机的主要检验检测内容包括机械部分和电气部分的检测，由于固定式起重机处于高载荷的工作环境中，其振动失效会导致主臂梁断裂和损坏，因此需要对主臂梁进行有限元仿真分析，不仅可以节省检验检测时间，还有助于提高固定式起重机的运行可靠性和安全性。

1 机械检验

1.1    机械检验内容

在对固定式起重机检验之前，要做好规划工作。首先要准备好必要的检测工具;其次，要确定检测的内容和流程;最后，要按照相关标准进行严格细致的检测工作。

固定式起重机检验检测的主要内容有主臂梁上拱度的检验和主梁腹板局部翘曲的检验工作。在对主臂梁进行检验时，要通过垫板将主臂梁进行固定和平衡，并使垫板处于主臂梁下方，确保固定式起重机两头盖板的垂直距离在2.4 mm内。如果固定式起重机高度过高或者整体规格过大，还应该布置支撑架，支撑架的高度要略低于主臂梁的高度。

对固定式起重机进行机械部分的检验检测之前，还需要将水准仪安放在合适的位置上，不仅要保证水准仪稳定，而且要保证水准仪与固定式起重机的距离不能过近或者过远。与此同时，还需要将座尺布置在两座板处的盖板上，与主梁腹板也要保持适当的距离。水准仪的使用无法快速准确地找到拱度的最高点，此时还需要多次进行测量，然后计算出测量值的平均数。

主梁腹板局部翘曲的检测方案基本是固定不变的，首先要依据想要测量的大致方向和地点，确定检测工具和设备，然后挑选的检测对象的距离不能高于上盖板高度的1/3。检测标准为固定式起重机的主梁腹板局部翘曲值应该≥7 000 mm。

1.2    机械检验方法

固定式起重机的检验检测方法较多，不同的检测方法有各自的优缺点，在对固定式起重机进行实际检测的过程中，要根据现场实际情况，选择最为恰当的检测方法。目前，我国对于固定式起重机较为常用的检验检测方法有水准仪法、拉钢丝法和激光直线仪测量法。水准仪法的准确性相对较高，为了进一步提高水准仪的准确性，可以采用同一类型的水准仪，在相同的位置上进行多次测量，然后取其平均值。另外，在相关人员进行检验检测工作的过程中，还要保护好自己的人身安全，要求检验现场的设备停止运转，有危险性的工作也要暂时停止。

检验检测人员要戴好安全帽和采取必要的安全措施，在安全的情况下，细致准确地開展工作。为了不影响生产企业的经济效益，检验检测的时间应该避开生产高峰期，体现人性化服务原则。

2 固定式起重机有限元模态分析

2.1    固定式起重机主臂梁模型的建立及网格划分

固定式起重机需要检验检测的部分较多，本文仅选用最为关键的主臂梁部分进行有限元模态分析，采用SolidWorks三维建模软件对固定式起重机主臂梁进行三维模型的建立，为了提高有限元仿真的计算速度，在对主臂梁进行建模的过程中，对不必要的主臂梁细致模型特征进行了简化，然后将建立的三维模型导入Workbench中进行网格划分，网格划分的工具是Workbench中自带的mesh模块，由于主臂梁的三维模型较为规则，因此采用结构化的网格划分方法。最终划分的网格数量为46 386，固定式起重机主臂梁网格划分如图1所示。

2.2    边界条件的设置及仿真求解

本文所建立的固定式起重机主臂梁的三维模型为长形方块体，假定主臂梁的材料选用40Cr钢，约束类型为左右约束，限定其上下和前后的自由度。模态分析通常只考虑前六阶的模态分析。本文同样是做了前六阶的模态仿真分析，选用了具有代表性的一阶、三阶、六阶作为分析对象，固定式起重机主臂梁一阶模态分布如图2所示，主臂梁三阶模态分布如图3所示，主臂梁六阶模态分布如图4所示。

由图2可知，固定式起重机主臂梁一阶模态分布的频率为1 043 Hz，最大变形分布在主臂梁的中间区域，两端变形最小，模态分析的变形值大小不具备参考依据，仅作为分析振形的依据。查阅相关资料可知，此时固定式起重机主臂梁一阶模态分布的频率在安全范围之内，主臂梁不会发生共振危险。

由图3可知，固定式起重机主臂梁三阶模态分布的频率为2 797.3 Hz，最大变形分布在主臂梁的中间区域，两端变形最小。查阅相关资料可知，此时固定式起重机主臂梁三阶模态分布的频率依然在安全范围之内，主臂梁不会发生共振危险。

由图4可知，固定式起重机主臂梁六阶模态分布的频率为5 299.6 Hz，最大变形分布在主臂梁的中间区域，偏向两端的部分也具有较大的变形，两端变形最小。查阅相关资料可知，此时固定式起重机主臂梁六阶模态分布的频率同样在安全范围之内，主臂梁不会发生共振危险。

综上分析，本文所选用的固定式起重机的主臂梁的激振频率在安全范围之内，主臂梁不会发生共振风险。

3 结语

综上所述，固定式起重机对工业生产具有重要的作用。由于固定式起重机属于特种设备，关系到现场工作人员的人身安全，所以必须加大对其的检验和检测力度，机械部分的检验检测工作要选用适当的方法和工具，以保证测量数据和检测结果的准确性。有限元仿真技术具有科学、快捷等优点，检验人员要善于将该项新技术运用到检测工作中。经过仿真计算，本文所检测的固定式起重机主臂梁设计合理，振动频率在允许范围内，不会发生共振危险。

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收稿日期：2020-01-20

作者简介：叶玉龙（1987—），男，安徽安庆人，工程师，研究方向：特种设备检测。