2.浙江华东机电工程有限公司 浙江省杭州市 3100002）
摘要：卸船机是散货码头前沿的主要接卸设备，对整个码头系统的工作效率起着重要的作用，因此各大港口均按码头停靠的最大船型，为达到系统最大生产率，选用高效、可靠的卸船机。本文以桥式抓斗卸船机为对象，利用ANSYS软件对结构在基本抗震设防烈度7度下的动态特性进行了分析。
关键词：ANSYS软件；桥式抓斗卸船机；结构抗震性能
随着经济的发展，各种专业化码头的地位也越发重要。作为散货码头的重要卸船和输送设备，卸船机结构对输送系统乃至主机的安全运行影响甚大。同时，桥式卸船机对散货种类与船舶种类的变化适应性强，具有出力大、运营成本低等优点，在散装物料的搬运中得到了广泛应用，因而成为散货港口码头的主要设备。
一、抓斗卸船机介绍
抓斗卸船机是置抓取物料的卸船设备，它由前后门架、前后大梁、前后水平桁架、前后拉杆、小门架、斜撑杆、侧桁架、机台、料斗及支架等金属结构及起升、开闭、小车运行机构(三者合而为一，简称为四卷筒机构)、变幅机构、大车运行机构、抓斗和料斗接料系统、水喷雾防尘系统、移动式司机室、检修设施及防爬器、锚定、系缆、保险钩、限位装置等安全辅助设施，电气系统等部件组成。另外，桥式抓斗卸船机适用于中、小港口卸船或发电厂码头船舶的卸煤作业，其速度快、效率高。同时，它可在轨道上运行，门架下净空高度可通运输车辆，抓斗由船上抓散煤后，卸至锥形料斗。通过料斗出料口送至码头上的皮带输送机，然后送至堆场，前大梁可作俯仰动作。该机型可根据用户需要，单独设计。
二、桥式抓斗卸船机等效静载分析
港口在建设新型装卸机构时提出了等效地震载荷的验算，即采用当地地震局根据港口码头的基础特性及本地的地震记录向用户或咨询公司提供一个惯性载荷进行抗震验算。本研究采用用户提供的0.22g(g为重力加速度)等效惯性载荷，另外根据该地大震不多，小震频发的特点，将HCP审查提供的瓦尔帕莱索-TPS0.15g应用于本研究模型中进行核算。根据《起重机设计手册》中所描述，设计安全系数为1.1，本次计算所用卸船机结构材料为Q345钢，屈服应力为345MPa，因而该模型最大许用应力为313MPa。
根据卸船机实际工作状态结合损伤形式，本研究将卸船机在抗震分析计算时主要分为以下3个主要实验工况：1)工况1。小车位于前大梁端部并且抓斗满载；2)工况2。小车位于后大梁中部并且抓斗满载；3)工况3。空载情况下前大梁8O°抬起，小车位于后大梁中部并且抓斗空载。
三、桥式抓斗卸船机地震反应谱分析
在20世纪40年代已提出了计算地震作用的反应谱理论，也称动力法，其考虑地震时地面的运动特性与结构自身的动力特性，是当前工程设计应用中最为广泛的抗震设计理论。反应谱理论是以单质点体系在实际地震作用下的反应为基础来分析结构反应的方法，确定结构对随机载荷或随时间变化载荷的动力响应。我国根据国内外地震记录的反应谱进行统计分析，建立了地震响应系数与结构体系自振周期T的关系曲线(T)，本研究根据当地的地质勘探报告，该施工场地为中软土，建筑场地类别为2类，场地位于抗震设防烈度为7度区内，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，地震特征周期为0.35s。
《建筑抗震设计规范》规定：在一般情况下，应允许建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震计算，各个方向的水平地震作用应由该方向抗侧力结构承担，因此本研究分别计算卸船机在纵向和横向两个水平方向作用下的响应。同时考虑钢结构之间连接处的摩擦着用，结构阻尼比为5％。由于卸船机结构相对复杂，模型中单元与节点较多，在动态分析时不可能给出每个单元或节点的信息，本研究对一些关键位置的地震特性进行研究。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外，卸船机在纵向或横向地震的作用下，由于耦合振型作用各点处除载荷作用方向上出现位移外，与载荷方向相垂的两个方向也有位移响应，但地震作用主要引起载荷方向上的位移。
当卸船机前大梁80°抬起在纵向地震作用下出现了较大的位移响应，这是由于接近设计反应谱峰值对应的频率。总的来说，卸船机关键位置在地震作用下的位移响应是可接受的，但前大梁端部的位移响应需引起设计者的注意。
卸船机结构在地震作用下的应力响应是判断其强度的主要参数。同时，卸船机在地震作用下，其横向与纵向最大应力出现的位置与数值均一致，并且与等效静载作用下的最大心力的位置相同。在纵向地震作用下，卸船机在工况3的最大应力大于其他工况，这是由于工况3下起主要作用振型的频率靠近放大因子对应的共振频率。总体来说，卸船机在地震反应谱作用下的应力响应满足抗震设计要求。
四、桥式抓斗卸船机地震时程分析
动态时间历程分析法，是将地震波记录或人工波作用在结构上，接对结构运动方程进行积分从而求得结构在任意时刻地震反应的分析方法，所以动态时程分析方法也称为直接积分法。
根据该场地位于抗震设防烈度7度区第一组场地类别为2类，本文选用该类场地典型地震记录El-Centro波进行分析验算。抗震研究分析方面，建筑和桥梁无论理论试验分析还是实例应用方面都是先驱者，所以在研究桥式抓斗卸船机的抗震分析时借鉴其抗震理论和技术。我国铁路工程、公路工程和水工建筑抗震规范中规定，只有位于抗震设防烈度为9度的悬臂结构需考虑竖向地震作用，因此本研究在进行地震时程分析时，地震波按纵向和横向分别单独输入。
由上述的等效静载分析和反心谱分析可知，在地震作用下工况1和工况2对应的卸船机整体结构位移和应力响应基本一致，因此本研究仅对工况1和工况3的地震行为作系统的分析。由于卸船机结构复杂，模型中单元与节点较多，在时程分析时不可能给出每一个单元或节点的信息，本研究结合上述地震反应谱分析结果，在已列关键位置的基础上进行分析。由其结果可知，卸船机在纵向或横向地震作用下，由于耦合振型作用各点除在载荷作用方向出现位移外，在与载荷两个垂直方向上也有位移响应，但主要引起载荷方向上的位移。卸船机在地震波的激励下，位移响应的位置主要在前大梁端部和机房位置，这与反应谱分析的结果基本一致。
本研究将卸船机在地震波作用下的位移响应与谱分析下的仿真结果进行对比，卸船机在地震作用下的最大位移均出现在前大梁端部，尤其在工况3和纵向地震作用的情况下出现了较大的垂向位移，其原因主要在于卸船机在工况3下的整机重心提升且结构的固有频率与地震波的卓越周期相近；卸船机在时程分析下的位移响应结果大于谱分析结果，这主要是因本研究为了探求其在真实地震波激励下的位移响应，对地震波未进行振幅的调整，而在这样的地震波下卸船机的地震响应会比抗震设计反应谱分下的地震响应大；同时谱分析和时程分析下其他位置的位移响应较小，整体观察卸船机的位移响应可知，整机结构保持在弹性应变的状态，卸船机在实际地震激励下满足结构的抗震设计要求。将其与反应谱及等效静载作用下的应力响应进行对比可得出，在时程分析下的最大应力的出现位置和静载分析和谱分析的结果基本相同。同时与工况3相比工况1关键位置的应力响应要略高一些，这可能是因前大梁抬起导致其起主要作用的振型与地震记录的卓越周期更接近的缘故，总体来说卸船机结构的受力性能基本表现为弹性状态。
五、结语
随着船舶加速向大型化发展和日益增长的散货物料运输量的需求，促使桥式抓斗卸船机的技术不断进步以适应码头的装卸要求。同时，港口机械的大型化伴随工作效率的大幅提高也带来了诸多安全隐患，其中以地震灾害的破坏最为明显。因此，明确卸船机结构在地震作用下的破坏模式、提高抗震性能，是其结构设计的重要部分。
参考文献
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[2]刘广军.基于缩尺模型的桥式抓斗卸船机应力应变特性研究[J].起重运输机械，2015.
[3]许林.基于ANSYS软件的大型复杂结构可靠度分析[J].建筑结构，2014.
论文作者:王伯鸿1,俞倍倍2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/13
标签：抓斗论文; 位移论文; 工况论文; 结构论文; 载荷论文; 大梁论文; 应力论文; 《电力设备》2018年第17期论文;