摘要：起重機結(jié)構(gòu)復雜，通過傳統(tǒng)方法進行升級改造需要大量的人員進行操作和調(diào)試，以至于能耗過高，為了解決這個問題，提出了有限元分析技術(shù)在起重機升級改造中的應用。通過模型簡化分析，建立起重機結(jié)構(gòu)有限元模型，計算出起重機相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并對主梁下?lián)辖Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，進而將有限元分析技術(shù)應用在起重機升級改造中。采用對比試驗進行驗證，研究結(jié)果表明：該方法在對起重機升級改造方面有顯著效果，可以有效地降低能耗，提高設計質(zhì)量和安全性。

關(guān)鍵詞：起重機；有限元分析；升級改造；能耗

0 引言

起重機作為重要的工業(yè)設備，在物流和生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。但是，隨著時間的推移和使用環(huán)境的惡化，起重機往往會出現(xiàn)性能下降、結(jié)構(gòu)疲勞和安全隱患等問題，因此必須對其進行升級改造[1]。

有限元分析技術(shù)作為一種現(xiàn)代化的工程分析方法，被廣泛應用于結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化和性能評估。在對起重機進行技術(shù)改造時，可以將有限元分析技術(shù)應用于起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，提高起重機的承載能力和運行穩(wěn)定性，減少結(jié)構(gòu)疲勞和振動問題。同時，也可將其用于評估和驗證新設計的性能，包括起重能力、精度、速度和能耗等方面，從而確保改造后的起重機滿足現(xiàn)代生產(chǎn)需求。

有限元分析技術(shù)在起重機升級改造中的應用具有重要意義，其不僅可以提供可靠的結(jié)構(gòu)設計依據(jù)和性能評估，減少升級改造過程中的試錯成本，還能夠確保起重機達到更高的安全標準，提高工作效率，推動起重機行業(yè)的發(fā)展和進步[2]。

1 起重機升級改造方案設計

1.1 建立有限元模型

1.1.1 模型簡化

為了使模型更加合理，有必要對其進行必要的簡化。由于起重機的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和其他固體零件尺寸較小、剛度較大且質(zhì)量集中，因此在起重機結(jié)構(gòu)整體分析時，可以對回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和其他固體構(gòu)件進行等效處理，以減小構(gòu)件類型，便于后期處理。通過對整個結(jié)構(gòu)進行分析，計算出等效構(gòu)件的結(jié)點力即為外部荷載，然后重新對旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進行分析。

起重機的附屬裝置因其幾何尺寸小且質(zhì)量集中，與起重機的整體結(jié)構(gòu)相比，可以在分析整個結(jié)構(gòu)時對其進行等效處理。變幅式鋼索分布較為均勻，在模型中可以通過調(diào)整對應桿件的密度，使其具有一定的質(zhì)量來考慮其影響[3]。

1.1.2 建立模型

起重機屬于空間結(jié)構(gòu)，因此采用有限元法對其進行有限元分析。在起重機中，每個節(jié)點都有6個自由度：3個是沿x、y、z方向的平動，3個是繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動?？紤]到起重機的結(jié)構(gòu)特征，將塔架、平衡臂及吊桿的主要桿件都作為梁單元來處理，并選取Beam188單元，以便于計算。

利用空間桁架單元Link8模擬懸臂及平衡繩的受力情況，該單元具有2個節(jié)點，每個節(jié)點3個自由度，DN1PVwM6cXIrPb8+hPLsCTHGtL2QQL3ceTpip/WxWYU=只承受軸向力。不考慮桿件的彎曲、扭轉(zhuǎn)等因素，采用有限元法模擬2點、3自由度的空間桿系。

回轉(zhuǎn)工作臺為板殼結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)支座為三維固態(tài)結(jié)構(gòu)，相對于起重機整體結(jié)構(gòu)，其幾何尺寸非常小，但其剛度和質(zhì)量都比較大，因此在對起重機結(jié)構(gòu)進行整體計算時，可以將轉(zhuǎn)動支承等效為梁元，這樣就克服了2個不同自由度所帶來的連接難度。

該單元為6個自由度的粒子單元，能較好地反應被測體在空間的分布。在此基礎上，以配重、起升、變幅等為重心質(zhì)量，采用3D-MASS21質(zhì)點模型，對其進行求解。

綜上所述，根據(jù)設計要求，建立多梁、3桿、10個MASS21單元的起重機結(jié)構(gòu)有限元模型。該模型以節(jié)點為單位，采用直接和間接方法建立。起重機結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

1.2 計算起重機技術(shù)參數(shù)

根據(jù)起重機結(jié)構(gòu)有限元模型，計算起重機相關(guān)技術(shù)參數(shù)[4]。

1.2.1 吊裝荷載

吊裝荷載是指起重機能夠安全吊裝的最大貨物重量。通過起重機結(jié)構(gòu)有限元模型計算不同工況下的吊裝荷載，其公式如下所示：

N=φ1（φ2Q+q） （1）

式中：φ1表示載荷；φ2表示超載系數(shù)；Q表示主鉤起吊負荷；q表示小車及吊鉤質(zhì)量。

1.2.2 靜撓度

靜撓度是衡量起重機在靜力荷載作用下的變形能力的指標。通過起重機結(jié)構(gòu)有限元模型計算起重機的靜撓度，其公式如下所示：

（2）

式中：φ1表示載荷；l表示起重機兩支撐點之間的距離；E表示彈性模量；I表示截面慣性矩。

1.2.3 最大應力

最大應力是起重機在各種工況下各部件承受的最大應力。通過起重機結(jié)構(gòu)有限元模型計算起重機的最大應力，其公式如下所示：

（3）

式中：m表示平均應力；r表示應力比；I表示截面慣性矩。

1.2.4 剛度

剛度是衡量起重機結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的指標。通過起重機結(jié)構(gòu)有限元模型計算起重機的剛度，其公式如下所示：

（4）

式中：M表示起重機負載和自身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；g表示重力加速度；x表示起重機在滿載條件下產(chǎn)生的最大撓度。

1.2.5 頻率與振型

通過起重機結(jié)構(gòu)有限元模型，可以計算起重機的固有頻率和振型。這些參數(shù)反映了起重機對外部激勵的響應能力。頻率計算公式如下所示：

（5）

式中：K表示剛度矩陣；M表示起重機負載和自身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

振型公式如下所示：

R=（K-2M）-1H （6）

式中：K表示剛度矩陣；M表示起重機負載和自身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；H表示力向量。振型向量描述了結(jié)構(gòu)在不同頻率下的振動形狀。

綜上所述，利用起重機結(jié)構(gòu)有限元模型，得出起重機吊裝荷載、靜撓度、最大應力、剛度、頻率、振型等技術(shù)參數(shù)[5]。

1.3 主梁下?lián)辖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.3.1 確定優(yōu)化方案

起重機主梁大都為箱型結(jié)構(gòu)，箱形結(jié)構(gòu)緊湊但易變形，容易發(fā)生下?lián)犀F(xiàn)象，從而導致大車啃軌、小車爬坡滑車、電機過載等問題，嚴重時還會發(fā)生重大的設備和人員事故。根據(jù)起重機技術(shù)參數(shù)，對起重機主梁下?lián)辖Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，分為支撐、調(diào)火、拉筋張拉、焊補4道工序進行[6]。

1.3.2 具體步驟

具體步驟如下：

一是在梁底1/4、1/2、3/4部位各設3個測點，每一測點采用200mm厚壁鋼管支承，在1/2位的鋼管下端設置100t千斤頂，以保證爐溫加熱時可以頂動梁的上拱。

二是對主梁兩端各1/5的位置進行了修正，使得其易于變形，從而易于實現(xiàn)矯形。

三是在梁底下蓋板兩端距離梁端部3m左右的位置，設置2個支撐座，各設4個孔，采用20mm圓鋼作為拉伸筋，拉筋上的螺帽轉(zhuǎn)動，與千斤頂共同工作，從而形成上拱。張緊結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

四是待拱度滿足要求后，將10mm厚的鋼板覆蓋在被烘焙的鋼板上。如此不是為了增強起重機橋架的強度和剛度，而是為了增強此處的鋼板。由于鋼板內(nèi)會形成內(nèi)應力，為此存在導致主梁再次下?lián)系囊蛩豙7]。

2 試驗論證分析

為了驗證有限元分析技術(shù)在起重機升級改造中的有效性，設計對比試驗。

2.1 試驗準備

采用能耗測試儀器測量起重機的能耗，驗證有限元分析技術(shù)在起重機升級改造中的應用是否能夠降低能耗。還需要準備一臺計算機，用于有限元分析技術(shù)在起重機升級改造的模擬計算，具體硬件和軟件配置如表1所示。

根據(jù)上述內(nèi)容，選擇具有代表性的兩種傳統(tǒng)方法升級的起重機和采用有限元分析技術(shù)升級改造的起重機作為試驗設備。在試驗中，設置同樣的試驗環(huán)境和參數(shù)，以確保試驗的準確性和可比較性。

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗準備進行試驗，得到不同方法能耗對比結(jié)果如圖3所示。通過圖3的對比結(jié)果，可以清晰地展現(xiàn)出3種方法的能耗表現(xiàn)。隨著操作時間逐漸增加，本文方法的能耗始終低于傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的能耗。特別值得注意的是，本文方法的能耗最高達到6kW·h/t左右，整體能耗保持在一個相對較低的水平。相比之下，傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的能耗高達到10kW·h/t左右。這種能耗水平的差異使得限元分析技術(shù)在起重機升級改造方法在可行性上具有顯著的優(yōu)勢。

綜上分析，采用本文方法對起重機進行升級改造，可以有效地降低能耗，提高設計質(zhì)量和安全性。即使在長時間操作的情況下，也能夠保持較低的能耗水平，從而確保了起重機的穩(wěn)定性和高效性。

3 結(jié)束語

在起重機的升級改造過程中，有限元分析技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。通過對起重機進行有限元分析，可以獲取其在不同工況下的應力、應變、位移等重要參數(shù)，為優(yōu)化設計提供了科學依據(jù)。有限元分析技術(shù)能夠?qū)⑵鹬貦C整體劃分為多個小單元，通過計算機模擬起重機的實際工作狀態(tài)，從而得到更精確的分析結(jié)果。這有助于減少傳統(tǒng)試驗方法的成本和時間，提高設計效率。

有限元分析技術(shù)的應用也存在一定的局限性。由于模型的簡化和邊界條件的設定，對計算結(jié)果的精度有很大的影響。所以，在進行有限元法分析時，必須與實測資料相結(jié)合，加以比較和檢驗，以確保分析結(jié)果的可靠性。

綜上所述，有限元分析技術(shù)在起重機的升級改造中具有廣泛的應用前景。通過引入有限元分析技術(shù)，可以大大提高起重機的設計質(zhì)量和安全性，為設備優(yōu)化提供有力支持。

參考文獻

[1] 牛春江，馬兵書，鄭紅旭，等.煉鋼廠抓斗式橋式起重機改造設計與應用[J].山東冶金，2023，45（3）：77-78.

[2] 鄭勇.岸邊集裝箱起重機自行式小車牽引式改造設計方案[J].工程建設與設計，2022（10）：104-106.

[3] 鄒石橋，喻穎，諶曉波，等.起重機改造重大修理術(shù)語定義變化的思考分析[J].中國設備工程，2021（23）：9-10.

[4] 李忠良，張國良，陳生.橋式起重機變頻改造與無線遙控設計[J].福建冶金，2021，50（2）：45-47+44.

[5] 張榮軍，王俊君.FZQ-2000Ⅱ型電站塔式起重機升級改造分析[J].中國電力企業(yè)管理，2021（3）：90-91.

[6] 郭富強，宋賀.420t電站起重機與廠房干涉原因論證與改造[J].設備管理與維修，2020（15）：80-81.

[7] 王玉澤，徐巍，張福江，等.基于既有建筑單元式幕墻改造的塔式起重機施工部署研究與應用[J].施工技術(shù)，2020，49（2）：45-48.