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大吨位桥门式起重机主梁挠度预测方法研究

张大鹏  
【摘要】:起重机械是国民工业重要的基础设备,应用十分广泛,全国在用的起重机械约210万台,其安全问题人们倍加关注。我国对起重机实行强制检验制度,在检验桥门式起重机时,主梁在额载下的挠度是检验的重要项目,以此判断金属结构的静刚度是否满足要求。此时需要额定吨数的砝码,大吨位桥门式起重机在这项检验中所需费用昂贵。另外,有时由于使用地点和环境的限制无法进行起重机额定载荷试验测试。若不进行起重机额定载荷试验,该机的后续使用是非法的,同时也会给安全生产带来巨大隐患。诸如此类情况大量存在,在工程实际应用中,针对检测砝码重量不足的情况下,评估起重机结构的静刚度是检测中亟需解决的问题,因此,研究大吨位桥门式起重机主梁挠度预测方法十分必要,也非常有意义。传统的起重机主梁挠度预测方法多是线性的,计算精度有待提高。本文针对大吨位桥门式起重机主梁挠度预测方法展开了深入的研究,借助于广义刚度概念,采用了经典弹性理论分析、能量法、支持向量机理论和试验研究相结合的方法,考虑了桥门式起重机的加载历程、疲劳程度、使用年限、主梁拱度、走台布置、小车轨道、生产制造工艺和安装工艺等外部因素对挠度的影响,通过小载荷试验检测结果准确地预测大吨位桥门式起重机主梁挠度。这为大吨位桥门式起重机检验检测及主梁挠度预测提供了具有理论意义和实用价值的方法。本文完成的主要工作有:1.通过研究两侧支腿弯矩与主梁跨中挠度的关系,应用虚功原理、卡氏定理进行分析计算,构造Lagrange函数,得出刚度比越大水平约束力越小;刚度比越小主梁挠度越小;在其它因素(如温度等)影响很小时,将两侧支腿设计成相同尺寸,这样结构刚度最好,用料最省,也就是当两支腿惯性矩相等时,门架结构刚度最好。刚度比在0.5-1.5较为合理,不宜超过2.2,也不宜小于0.3。2.三次小载荷法在左、右支腿惯性矩不同时,采用了经典力学理论和能量法推导出主梁挠度多项式;通过小载荷试验数据对挠度多项式系数进行标定,得到挠度预测函数,进行挠度预测。三次小载荷法能够准确预测大吨位桥门式起重机主梁挠度,而且可以通过计算机程序实现,简便易行,可操作性强。在使用现场只有固定重量的小载荷时,提出主梁三位置小载荷试验法预测挠度,它通过在主梁跨内l/2、l/3、2l/3处分别测量小载荷下的主梁挠度值,根据大吨位桥门式起重机挠度分析计算的表达式,可以求得主梁和两侧支腿的实际惯性矩。然后根据结构主梁和两侧支腿的实际惯性矩可以准确预测额定吨位时桥门式起重机的挠度。3.在考虑主梁弯曲、支腿弯曲和轴向力及二次弯矩的耦合作用的情况下,应用最小势能原理,基于变分法推导出门架结构主梁跨中挠度的非线性解析解,挠度的非线性解析解较原有的计算公式,计算精度提高12%左右。4.通过试验对门架结构加载变形规律进行了研究,可知挠度与载荷不是线性关系,在加载初期,门架结构刚度大,然后减小后又增加,再减小再增加;门架结构在载荷达到一定时,载荷-挠度曲线会出现一个转折点,然后结构趋于稳定。随着载荷增加,门架结构变形,挠度增加率减小,结构相对于跨中载荷的刚度增加。即在跨中加载时,门架结构的变形抵抗外载做功。亦即门架结构变形后,使结构刚度增大(相对于该加载位置)。门架结构承载后不仅产生挠度,而且产生侧移,侧移量与挠度同载荷也是非线性关系。5.研究了将起重机领域知识与支持向量回归机相融合得到基于支持向量机挠度预测的方法。支持向量机的输入向量因子包含了结构主要参数对挠度的影响。起重机挠度实际检测数据和实验数据包含了起重机的使用年限、疲劳程度、主梁拱度、重载作业次数、走台布置、小车轨道、生产工艺和安装水平等因素对挠度的影响。通过试验和实测数据训练支持向量机模型,然后优化模型参数,最终得到支持向量机预测模型,即支持向量回归机的决策函数,实现挠度预测。大吨位桥门式起重机传统的挠度预测方法有很多局限性,应用本文的研究成果既可以极大降低载荷试验的成本,也降低了质检部门的检测成本和工作负荷,同时缩短了检验周期,实现高效、节能的目的,具有重要意义和广阔的应用前景。
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