擦窗机结构危险点与危险部件分析

2018-08-28，，

机械与电子 2018年8期

，，

(1.沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳 110168；2.辽宁省安全科学研究院，辽宁沈阳 110004)

0 引言

随着建筑行业的发展，擦窗机设备[1-2]的需求量逐渐增加，其结构的力学性能、安全性以及如何有针对性地对危险零部件进行检测与维修是业内关注重点。吊臂、立柱和底架作为擦窗机设备的关键结构，对其进行力学特性研究和危险部件安全评价是至关重要的。因此，以屋面轨道式擦窗机结构为研究对象，建立有限元模型，对在役擦窗机结构进行静动态分析，确定其危险部件，并结合 AHP-FCEM方法对擦窗机危险部件进行安全指数确认，为进一步对擦窗机进行安全评价奠定基础。

1 结构有限元模型建立

1.1 结构基本假设

擦窗机结构有限元分析中，通过SolidWorks软件实体建模，导入ANSYS Workbench软件，再进行静力学、模态和瞬态分析。为简化和节省有限元分析过程中前处理设置时间，可以作如下假设处理：

①忽略吊船、钢丝绳、配重块、臂头和起升机构的建模。

②忽略齿轮齿条、钢丝绳、螺栓螺母、滑轮组、垫圈、滚筒和销轴等辅助零件及连接零件。

③假设焊接质量为理想情况，焊后无气孔、夹渣和裂纹等缺陷，故看作零件焊接后为刚性连接。

④忽略结构直径尺寸小于10 mm的圆角以及结构中较小的倒角。

1.2 参数化建模

a.单元类型选用。擦窗机关键结构中吊臂、立柱和底架都是有钣金组合焊接而成，且都是箱型结构，箱型结构截面尺寸远小于各个组焊件的长度和宽度，根据ANSYS Workbench单元类型的各种作用，选择板壳单元(SHELL63)进行分析较为合理。

b.材料属性设置。吊臂、立柱和底盘组合焊接的材料是低合金钢Q345，滑块材料为45号钢。密度均设为7.85×10-6kg/mm3，弹性模量2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，重力加速度9.8 m/s2。

c.网格划分。擦窗机结构装配体网格划分后未出现结构无效单元，以工况一和工况三装配体模型为例，划分后如图1所示，其中节点数574 133个，单元数292 703个。

d.边界条件处理。在有限元分析过程中，各节臂连接块为刚性体和给定位移约束，一节臂滑块组合与基臂之间设置为给定位移约束；吊臂与连接支架之间设为固定约束，连接支架与立柱之间限制X轴和Y轴位移约束，释放绕Z轴旋转自由度；立柱与底架接触面设置为固定约束。

图1 擦窗机结构有限元模型网格划分

e.载荷施加。载荷施加分析中，将擦窗机在变幅平面内产生的起升载荷以及臂头和起升机构自重载荷施加于二节臂端部；将吊臂、立柱和底架自重以惯性力的方式加载于整机。擦窗机结构有限元模型边界条件及载荷施加如图2所示。工况二中端部载荷加载数值为17.43 kN，无风载荷，其他数值与工况一中相同。

图2 工况一边界条件及载荷施加

2 结构静动态分析

2.1 静力学分析

a.等效应力分析。以工况一为例，擦窗机工作状态，二节臂和一节臂伸出至极限幅度，吊船位于最大幅度位置并承受额定载荷，擦窗机承受垂直于吊臂和立柱的风载荷(风压500 Pa)。端部载荷为16.27 kN，轴向载荷为7.3 kN，水平惯性载荷为4.56 kN，风载荷为4.81 kN，配重质量点为1 150 kg。用ANSYS Workbench软件对工况一的擦窗机结构进行静力学分析，等效应力分析结果如图3和图4所示。

图3 整机结构等效应力云图

b.总变形分析。根据图2可知，各种载荷施加力大小以及配重质量点数值，用ANSYS Workbench软件对工况一的擦窗机结构进行静力学分析，总变形分析结果如图5～图8所示。

由典型工况下，擦窗机结构静力学分析结果可知：

① 二节臂和一节臂尾端局部截面应力较大，数值在57.32～102.97 MPa之间；基臂臂头端局部截面应力较大，数值在62.92～104.87 MPa之间；立柱底架结构背风面侧板所受应力较大，数值在59.87～107.63 MPa之间；以上关键部位应是强度检测和结构检修关注的重点部位。

② 当吊臂前端分别施加额定载荷和125%额定载荷时，整机结构最大位移均出现在二节臂臂头处；立柱结构近中心线受压侧连接孔部位产生最大变形为9.78 mm；底架结构垂直于轨道梁中心线部位变形为3.11～5.12 mm之间；以上关键部位应是变形检测和结构检修关注的重点部位。

图4 立柱底架结构等效应力云图

图5 整机结构总变形图

图6 立柱底架背风面总变形图

图7 整机结构Y轴变形

图8 整机结构Z轴变形

③吊臂和立柱的受力情况在全缩工况与全伸工况相比，应力值均明显降低，且工况一受风载较大，易发生倾翻，因此工况一为决定吊臂承载能力极限状态的危险工况。整机结构以及立柱底架结构最大应力值同比减小10%左右，说明风载荷是直接导致Z轴负向位移和关键结构最大应力值增加的重要因素。

④工况三中，整机结构应力值和总变形值明显小于工况一和工况二相应数值，后续危险部件研究中工况三内容作为参考。

2.2 动态分析

在擦窗机实际工作中，整机结构会受到随时间变化的动载荷作用，与静载荷相比，如果该动载荷不是主要载荷，那么可以只做静力分析，忽略载荷的影响。但是很多时候，擦窗机会受到显著的动载荷作用(如暴风等)，尤其是当受到的动载荷的频率与其自身固有频率相接近时，会引起整机结构的共振，使其产生较大的动应力，严重时可导致变形过大甚至是结构破坏，这时就有必要对其进行动力分析。

a.模态分析。考虑无应力状态模态分析，分析擦窗机结构三种工况中前六阶振型。工况一和工况二无应力模态分析中，有限元模型、接触条件、网格划分和边界条件施加内容均相同，故两种工况模态分析结果是，结构各阶模态固有频率及振型如表1所示；第一阶模态固有振型如图9所示；第二阶模态固有振型如图10所示。

b.瞬态分析。根据擦窗机结构静力学分析，各节臂臂头和基臂尾部位移明显，立柱和底架的位移较小忽略不计。结构瞬态分析过程中可将擦窗机结构起升系统简化为二自由度振动系统[3]，满足工程需要的前提下，通过提高计算效率获得结构薄弱环节。

表1 结构各阶模态固有频率及振型

图9 第一阶模态固有振型

图10 第二阶模态固有振型

以工况一为例，获得整机结构位移、速度和加速度时间曲线，如图11～图13所示。

由典型工况下，擦窗机结构动态分析结果可知：擦窗机结构以第一阶振型为基本振型，固有频率为2.001 5 Hz，其振型表现形式为吊臂左右摆动，二节臂端部摆动位移最大；由瞬态分析结果可知，结构在1 s内都处于冲击振动状态，当起升时间在0.2 s左右时，冲击振动最为激烈，同时可得二节伸缩臂结构所受冲击影响较大，基臂与立柱连接架应力较大。

图11 位移-时间曲线

图12 速度-时间曲线

图13 加速度-时间曲线

3 结构危险点及危险部件确定

3.1 危险点确定原则

危险点是诱发或有潜在可能导致机械设备中相关零部件失效的部位或者截面[4-5]。擦窗机整机系统包括金属结构、钢丝绳、制动器和电气系统等零部件，由于系统复杂庞大现场检测检修目标多变，因此需要准确确定结构、零部件危险点位置，有针对性的进行现场检测，为降低和规避擦窗机运行故障或事故风险提供依据。

收集相关数据统计及查阅参考文献，工程机械类设备在施工作业过程中和安装拆卸以及维修过程中故障或事故时有发生。参考起重机、吊篮故障发生原因和擦窗机设计规范(GB19154-2017)中故障分类及危害度系数表，确定擦窗机结构损伤模式如表2所示。

根据以上分析，提出以下危险点确定原则：

①金属结构所受应力较大部位。

②设备运行，金属结构受载荷后变形较大部位。

③金属结构中焊缝、裂纹以及锈蚀严重部位。

表2 擦窗机结构损伤模式

④金属结构和钢丝绳出现变形较大与磨损严重部位。

⑤制动器和电气系统磨损和过热程度较大以及电路接触不良部位。

擦窗机整机危险点可以根据上述原则确定，同时还需考虑设备实际运行情况。因设备复杂，安全因素影响较多，危险点确定有难度，可以结合结构力学理论计算、结构有限元分析以及结构重要度分析结果为危险点确定提供有力支持。

3.2 危险点确定

根据危险点定义、擦窗机损伤模式内容以及危险点确定原则，以擦窗机结构力学分析、擦窗机结构静动态分析以及结构重要度分析结果为基础，再结合现场检验维修记录完成擦窗机整机危险点的确认，经以上分析获取的结构危险点如图14所示。

①二节臂臂头处受多变载荷，理论计算与有限元分析确定其产生较大变形，二节臂臂头中立面封板与下部槽钢焊接处为刚度和变形检测危险点。

②各节吊臂连接处承受应力较大，易产生应力集中而导致材料失效，所以各节吊臂滑轮连接处下部外表面为吊臂强度检测危险点。

③立柱与基臂连接支架通过销轴连接处承受交变载荷，易产生变形及强度失效，连接支架销轴孔边缘强度检测危险点，支架吊耳边缘为刚度和变形检测危险点。

④立柱与底架受压侧侧板以及背风面侧板、底架结构垂直于轨道的横梁承受较大应力。

⑤立柱板1、立柱板2和垫圈焊接处为立柱强度检测危险点。

⑥一二节臂尾端局部截面、基臂臂头端局部截面承受较大应力，以上位置为重点检测危险点。

⑦吊臂、立柱和底架金属结构中焊缝、裂纹处、锈蚀处和变形处为重点检测危险点。

⑧钢丝绳承受拉伸和冲击载荷，产生变形、断丝和断股部位，制动器长期使用产生磨损和温度过高的位置，电气系统线路缠绕、接触不良和破损的部位为重点检测危险点。

图14 结构危险点

3.3 整机危险部件确定

以安全科学的手段结合故障致因理论[6]以及安全评价理论为基础，从擦窗机危险点分析与安全评价内容入手，定义擦窗机危险部件是指一切可能导致擦窗机故障或事故发生的存在安全隐患的金属结构、关键零部件或电气系统。

3.3.1 金属结构中危险部件

由危险点确定原则和擦窗机危险点内容可知，吊臂结构中三节伸缩臂连接处所受应力较大，立柱与基臂连接架、立柱与底架连接根部产生较大应力，二节伸缩臂端部产生最大变形。由擦窗机结构模态和瞬态分析结果可知，吊臂、伸缩臂连接处、吊臂与立柱连接处出现扭转变形，二节伸缩臂结构所受冲击影响较大，基臂与立柱连接架应力较大。动态分析结果获得的危险部位在理论计算与静力学分析结果范围内。

擦窗机金属结构中吊臂、立柱和底架由板材焊接而成，将焊缝假设为板材之间的刚性连接，故分析金属结构危险部件时，不考虑单个板材零件作为危险部件进行分析，将吊臂、立柱和底架分别作为相对独立的金属结构危险部件进行安全评价研究。

3.3.2 其他类型危险部件

钢丝绳因具有绕性好、强度高等优点用于擦窗机起升和变幅机构，使用频繁受力情况复杂，有磨损和断股等损伤模式；制动器用于擦窗机工作调速和制动，因使用频繁易出现制动片磨损，间隙变大导致制动失灵，或者因制动摩擦温度过高，导致制动器烧损；电气系统可能因线路接触不良、磨损等原因，导致电气设备故障，使擦窗机整机停止运行，影响生产效率。

参考起重机结构安全评价或风险评估研究文献[7]，结合领域专家对擦窗机其他零部件分析判定，钢丝绳、制动器和电气系统有很大可能导致擦窗机故障或事故发生，故将以上三种部件作为危险部件用于擦窗机整机安全评价研究。

4 基于危险部件的安全指数确认实例

依据理论计算、有限元静动态分析结果确定的危险部件，应用AHP-FCEM方法[8]，以在役CWGS250型屋面轨道式擦窗机为例，对该擦窗机金属结构、关键零部件和电气系统使用状况、安全状态进行安全指数确认，为进一步的安全评价分析提供依据。

根据参考文献[9]所述，确定各子系统影响因素安全指数以及结构安全性状态，按照标度推荐值，专家对其进行评价打分，提取有效数据建立各子系统比较判断矩阵，根据金属结构、关键零部件和电气系统比较判断矩阵，计算其中吊臂、立柱、底架和钢丝绳、制动器和接触不良、烧损的次级子系统评价指标权重，对结果进行一致性检验得CR<0.1，满足一致性要求。然后对次级子系统评价因素进行模糊综合评判，得到次级子系统安全指数及安全性状态描述内容见表3所示。

表3 子系统安全状态

根据金属结构、关键零部件和电气系统安全指数以及结构安全性状态，通过专家打分并进行分析，确定整机与各指标权重和安全指数数值如表4所示。

由表4可得金属结构安全指数为0.658，关键结构安全指数为0.691，电气系统安全指数为0.783，子系统三种危险部件中金属结构安全指数最小，指标权重最大，故主要针对金属结构系统提出改进措施。金属结构子系统中，吊臂结构安全指数为0.682，吊臂结构对擦窗机结构系统的可靠性影响最大，立柱结构安全指数为0.588，底架结构安全指数0.685，次级子系统中立柱结构安全指数最低，吊臂结构次之，底架结构相对安全。