集装箱起重机减隔振设计

抗地震集装箱起重机减隔振装置设计与试验 实验项目编号：000170030301 实验教学资料

类 别 关键词 摘 要 内 容 实验教学管理、实验项目 本文为实验项目的相关教学资料 教学组长

中心主任

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修订历史

文档版本 实验项目教学资料V1.0 时间 2013.07.17 撰写人 李伟雄 备注 第一次整理完成 实验教学资料 V1.0 Date: 2013-05-30 Copyright By Tongji University i

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实验教学资料管理

管理内容&目标 实验大纲、实验指导书、实验报告 附后 实验安全控制 安全帽、防止头部撞击。防扎刺手套、防止手部被铁硝刺伤。防油防刺工作鞋、防止滑到及扎上脚部 实验设备管理 集装箱起重机模型及低架桥每周保养一次。 实验发展规划 每组同学设计激励及采集方式来获取振动响应，利用不同激励方法，搭建合理测试系统。最终获取结构的响应数据。 管理人员组织 总 控 监 控 执 行 管理方法 监 控 执 行 实验教学资料 V1.0

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《专业综合实验(机械工程)》教学大纲

课程编号：041370 学分：2 学时：2周 大纲编制主笔人：朱传敏 大纲审核人：邱惠清

一、课程性质与目的

课程性质：专业试验课。

本课采用教学实验及实践活动形式，加强对电气液压传动、数控加工技术、系统综合测试、模态分析、钢结构减隔振技术、材料成型技术、数控驱动技术、液压顶升技术、快速原型设计加工基本原理的理解，巩固课堂上所学的理论知识，培养学生综合应用所学知识、分析和解决工程实际问题的能力。 二、课程面向专业

机械设计制造及其自动化、工业工程。 三、实验课程的基本要求

认真阅读实验指导书，弄清实验题目的动作要求，目的和实验报告要求，完成实验数据，整理有关图形，并能正确回答指导书中提出的思考题。 四、实验课程教学基本内容

该实验课设置A、B、C、D、E、F六组开放性实验项目，其中A、B、C组为必做项目，D~G组为选做一组：

A组为“自行设计自行搭建电子液压系统开放性实验。”学生根据教师提出的八个以上的生 产实际机械设备动作要求，自己选择其中几项。动手设计回路，并在进口的Festo教学实验台架上加以方案的实现，或在计算机上进行系统仿真实验。另外，有意识性的设置实验“故障”，培养学生分析问题解决问题的创新能力。

B组为“数控加工技术应用综合实验”。学生利用开放式数控加工设备，学习开放式数控加工机床的结构和工作原理，并学习利用开放式数控加工机床加工零件的工艺和方法；学习计算机辅助制造技术（CAM）及相应的切削加工工艺，学会测量材料硬度、表面粗糙度和加工切削力，培养学生数控加工技术的综合能力。

C组为“产品创新设计与快速实现综合实验”。学习产品设计和快速实现方法，学习基本的CAD建模方法，学习快速原形的基本知识和快速原型机的操作方法，学习快速原形制造的前处理技术和后处理技术，利用所学知识设计零件，并进行快速原形零件的加工和处理。

D组为“钢结构减隔振综合实验”。学生利用实验室电磁振动台，自行选用不同的试验模型，如仪表设备，汽车座椅，集装箱起重机模型等，设计加工

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或选用不同的减隔振装置，选用传感器、放大器、信号采集系统、构建测试系统，进行模型的有减隔振装置和无减隔振装置的实验对比等。

E 组为“无线测试系统综合实验”。学习传感器工作原理和使用方法，了解无线测试系统的系统组成及工作原理，设计无线测试系统并进行现场测试实验。

F 组为“成型技术综合实验”。学习成型技术的基本方法、原理和工艺，了解成型加工设备的结构和工作原理，设计实验对象的成型加工工艺，确定成型加工工艺参数，进行现场成型加工，对成型加工的质量进行分析和讨论。

G 组为“数控驱动技术与应用综合实验”。学习数控驱动技术的基本知识，了解基本数控驱动元器件的结构和工作原理，设计实验数控驱动系统，并进行系统连结和实验。

H 组为“数控磨削加工综合实验”。学习数控磨削技术的基本知识，了解数控磨削机床的结构和工作原理，学习数控磨削加工的基本工艺，进行磨削加工。

I 组为“PLC应用综合实验”。学习PLC相关知识，设计PLC综合实验，并进行验证和改进。

五、实验内容和主要仪器设备与器材配置

序号 每设备组实验主要仪器设实验项目 内容提要 复套验综设人学时 备 数 证 合 计 数 自行设计自行搭建自行设计自行搭建德国FESTO实验类别 √ 4-5 9 液压教学实验台 CAM系统和 √ 4-5 9 铣削加工中心 LOM快速原000503020304* 产品创新设计与快产品创新设计与快速实现综合实验 速实现综合实验。 √ 4-5 9 形机一台、FDM快速原形机一台。 钢结构减隔振综合实验 钢结构减隔振设计实验等提高开放性实验。 √ 4-5 4.5 电磁液压振动台，各种模型，传感器、放大器、信号采集和信号分析系统 000170030302* 无线测试系统综合无线测试系统综合实验 实验 √ 4-5 4.5 各种模型，传感器、放大器、信号采集和信号分析系统 000170030303* 成型技术综合实验 成型技术综合实验 √ 4-5 4.5 油压机、加热炉、传感器和测试分析系统 1 液压油、机械工程钢板、导综合实验线、传感中心 器等 1 导线、传感器 机械工程综合实验中心 2 导线、传感器 机械工程综合实验中心 六项选做四项项 2 2 刀具、金属材料 4 性实验 000503020303* 性实验。 主要消所在实验备注 耗材料 室 机械工程液压油 综合实验 中心 机械工程综合实验 中心 000503020301* 电子液压系统开放电子液压系统开放数控加工技术应用数控加工技术应用综合实验 综合实验 纸材、油机械工程漆、后处综合实验 理工具 中心 000170030301* 实验教学资料 V1.0

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000170030304* 数控驱动技术与应数控驱动技术与应用综合实验 用综合实验 西门子控制 √ 4-5 4.5 模块、计算机，传感器等 √ 4-5 4.5 数控磨床 4-5 4.5 PLC试验台 2 2 导线、传感器等 机械工程综合实验中心 000170030305* 数控磨削加工综合数控磨削加工综合实验 000170030306* PLC应用综合实验 PLC应用综合实验 实验 砂轮，工机械工程件，冷却综合实验液 中心 机械工程 综合实验中心 √ 六、实验预习和实验报告的要求、考核方式

每个学生完成四项目综合实验项目，实验教师检查实验预习及设计初步方案，按实验课中的动手能力，分析问题的主动性，实验报告质量等，对四组实验分别计分，最后综合评定总实验成绩。 七、学时分配 本课程总学时数 68 理论课学时数 20 实验学时数 45 习题学时数 现场实践学时数 上机学时数 考核学时数 3 八、教材、实验指导书与主要参考书 课程教材及实验指导书：

1．电子液压系统回路自行设计实验指导书． 2．数控加工技术应用综合实验指导书． 3．快速成形技术综合实验指导书． 4．钢结构减隔振综合实验指导书． 5．无线测试系统综合实验指导书． 6．成型技术综合实验指导书． 7．数控驱动技术与应用综合实验指导书 8．数控磨削加工综合实验指导书 9．PLC应用综合实验指导书

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抗地震集装箱起重机减隔振装置

设计与试验 综合实验指导书

专业综合实验四

同济大学机械与能源工程学院

2012年10月

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1 概述

近年来地震在全世界范围内频发，给人们的生命财产及安全带来巨大的影响，由于地震的不可预测性，地震的破坏力往往是惊人的，特别是对一些特别大的建筑物比如大桥、电站等的破坏更是不堪设想。于是各国致力于防震抗震的综合防治，投入了大量的人力、物力，在防震抗震方面取得了一定的成果。受地震影响较大的日本、美国也相继在这方面有突破性的进展，形成了一定的规范和准则。我国的防震抗震起步较晚，但是也取得了一定的阶段性成果，需要进一步的完善和发展。

1.1 地震灾害

美国圣弗南多地震

美国圣弗南多地震发生在1971年2月9日上午，震级为M6.7级。地震震级虽然不高，但对近代结构震后修复和结构抗震设计的研究而言，这是一次非常重要的地震。

地震中发生了很大的地面变形和强烈的地面运动，地面水平加速度峰值为1.26g，垂直加速度峰值为0.72g，导致高层结构、桥梁以及生命线工程的毁坏。此次地震死亡64人,经济损失10亿美元。

中国唐山地震

我国唐山大地震发生在1976年7月28日北京时间凌晨3时42分，震级为M7.8级。此次地震死亡人数高达约24万，重伤约16万，经济总损失约在百亿人民币以上。造成如此重大伤亡的重要内因是唐山市对地震没有设防，结构物都未经过抗震设计，以致酿成惨剧。唐山地震后，我国抗震研究工作才得到重视，是一个转折点。 美国洛马普里埃塔地震

美国洛马普里埃塔地震发生在1989年10月17日，震级为M7.0级，记录到的最

大水平加速度为0.470.55g，竖向加速度为1.26g，强震时间不超过10秒，但是还

是引起了大范围的震害，总死亡62人，总经济损失70亿美元。

日本阪神地震

日本阪神地震发生在1995年1月17日晨5时，震级为M7.2级。日本本是多地震国家，而且地震遍及全国，但关西地区一直被认为是地震少发生区，故城市抗震设防水准较低。因此，此次地震是日本自1923年关东大地震以来伤亡最重（死亡5466人）、经济损失（约1000亿美元）最大的一次破坏性地震。这次强震记录的主要特征有：（1）

水平最大加速度为0.610.82g，峰值速度达0.55m/s；（2）竖向水平加速度超过

2秒之间，多

0.3g；（3）地震持续时间在1015秒之间；（4）卓越周期分布在0.3为1秒。震后，日本运输省港湾局也组织调查团对大阪和神户港的集装箱起重机以及码头等设施的受损情况进行了调查。关于起重机破坏情况将在下面章节中讨论。

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1.2 日本神户地震集装箱起重机的损坏情况

1995年1月17日凌晨5点，震级为M7.2级的地震袭击了日本阪神和淡路一带，仅仅十几秒的时间，剧烈的震动给以神户为中心的地区造成了一场灾难。神户港的货物装卸设施也在地震中遭受了巨大的破坏，55台起重机中的52台遭到破坏。震后，日本运输省港湾局组织调查团对大阪和神户港的集装箱起重机以及码头等设施的受损情况进行了调研。

根据破坏的程度和状况可以将破坏情况分为以下几类：

    

1、发生脱轨，但未对支撑架等部位产生影响；

2、可以看见对支撑架部位的少量影响，脚部扩展（弹性变形）； 3、对支撑架影响显著，脚部可见纵向弯曲； 4、大梁损坏； 5、全部损坏。

对神户港六甲岛、波特岛和摩耶码头的起重机的破坏情况的统计见表1.1

表1.1 起重机损坏情况统计

损坏情况 一类 二类 三类 四类 五类 不明 合计 轨道间距30m级 六甲岛 0 4 14 0 1 19 波特岛 0 0 7 0 0 7 0 1 4 0 0 1 6 轨道间距1620m级 六甲岛 波特岛 0 11 4 0 0 15 摩耶码头 0 6 1 1 0 8 合计 0 22 30 1 1 1 55 水平地震力造成的摇摆或者上下地震力造成车轮腾空、着地、脱轨。伴随脚部的扩展或者起重机的横向摇摆造成脚部门架附近的纵向弯曲和门架变形。上部结构的损坏只发现一台。造成这种损坏的原因可能有：1）水平地震力引起立柱顶部的曲折，吊臂制动器的折损或者脱落、高低绳索断裂以及随之出现的吊臂落下的反作用会引起吊臂下方法兰盘的纵向弯曲，后拉索的后部桁架的纵向弯曲；2）上下地震力所引起的吊臂、桁架的上下震而造成的破坏。全部损坏估计是由于脚部的崩溃所致，在很大程度上是由临近起重机的损伤和支撑脚的扩展和变形所造成的。综上，在损坏情况中，脚部的扩展和弯曲变形形成的纵向弯曲占到了绝大多数，估计造成这种损坏的主要原因是码头沉箱的变位。

要使起重机具有抗震能力，就必须首先解决脚部扩展和弯曲变形的问题，实际上就是要将起重机脚部与上部结构的刚性联接改为柔性联接，使得地震时在水平方向上能够发生一定的相对位移，从而消除脚部的扩展和弯曲变形。另外，起重机的抗震层还必须能够承受住最大水平基底剪力，即具有一定的水平强度。以上两方面即为起重机抗震装置的基本要求。

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1.3 桥梁和建筑的减隔振技术

为了降低结构所受地震的影响，将结构与地面隔离开来的想法由来已久。最早提出基础隔震概念的是日本学者河合浩藏，其在1890年介绍了一种类似于隔震体系的建筑物，在日式木板屋的下面放置可以滚动的圆木，这可以算是隔震概念的起源。1906年，德国人Jacob Bech-told申请了美国专利，他的发明是在建筑基底放一刚性底板，并用硬材料制成的球体支承，以达到隔震的目的。1909年，英格兰医生Calantantarients提出了用滑石粉层将房屋与基础隔开的隔震方法。1929年，新西兰人申请了发明专利，建议的方法是在建筑的底部和基础之间放一个“bed”，这个“bed”由可以耗能和减少冲击的材料组成。在60年代以前，像这样的有关隔震具体实施方法提出了许多，但未能得到实践的机会。这主要是由于这种新的抗震方法缺少实践的检验，而且当时的工程师大多思想倾向保守，又对这种抗震方法是否能成功不抱兴趣和信心。但随后一些事件却说明了这一方法的有效性。1921年，Frank Lloyd Wright设计的日本东京帝国饭店建立在有软泥层所支承的一层硬土上，在1923年的东京大地震中，这栋豪华建筑得以幸存。设计者在他的自传中提到此事时说，支承饭店的8米厚表面硬土层下的60-70米厚的软泥层有效地隔离了地震。1933年，Long Beach地震中，邻近的建筑物都严重损坏或倒塌，而有几栋无筋砌体房屋却损坏轻微。事后发现这些损坏很轻的房屋在其基础梁处产生了滑动。类似的情况在1976年中国唐山大地震中也曾发生过。这也为隔震技术的应用提供了一个间接的证明。

在国外，自从上个世纪60年代以来，新西兰、日本、美国等多地震国家都对隔震技术进行了系统的理论分析和实验研究，并且已将隔震技术广泛应用于实际工程中。1969年建成的南斯拉夫贝斯特洛奇小学，属于现代最早的隔震建筑。从70年代开始到现在，美国、日本、新西兰、法国、意大利等国家对各类隔震装置和设计方法投入了大量的研究，取得了很大的成就。目前，在世界范围内，至少有17个国家已建成隔震结构。在国内，隔震建筑的建造始于20世纪80年代，由于经济方面的原因，对采用砂垫石、石墨、钢板等材料的摩擦滑移隔震研究较早，并相继建立了一些隔震工程。我国对应用最广的橡胶隔震支座的研究起步较晚，但发展较快。隔震装置从夹层橡胶隔震垫发展到铅心橡胶隔震垫、高阻尼橡胶隔震垫以及无粘结橡胶隔震垫，隔震型式从单一的夹层橡胶隔震体系，发展了串、并联复合隔震体系、层间隔震及巨型框架减震体系等。1993年，我国国内最早的橡胶支座隔震房屋在河南安阳建成，该建筑采用了我国自主开发的铅心橡胶隔震支座。目前，叠层橡胶支座隔震技术在我国己经逐渐趋于成熟。我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中己经增加了有关隔震和减震的内容，《建筑隔震橡胶支座》(JG 118-2000)的行业标准也已实施 。

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2 集装箱起重机减隔振装置设计

2.1 集装箱起重机结构简介

集装箱起重机由起升机构、俯仰机构、小车运行机构、大车运行机和金属结构构等组成。

集装箱起重机起升机构的作用是实现集装箱或吊具、吊梁升降运动，它是集装箱起重机最主要的工作结构。起升机构一般由一组或两组对称布置的起升绞车（分别由一台或两台点击驱动），相应的联轴器、制动器、减速器等部件组成，通过驱动钢丝绳卷筒进行卷扬动作。

图2.1 集装箱起重机

在集装箱起重机上，实现前大梁绕大梁铰点作俯仰运动的机构称之为俯仰机构。电机通过联轴器，经减速箱等传动装置驱动钢丝绳卷筒进行卷绕动作实现前大梁的俯仰运动。

在集装箱起重机上，使集装箱或吊具作水平往复运动的机构总成称为小车运行机构。它包括小车总成、小车驱动机构、小车钢丝绳卷绕系统和安全保护装置。

在集装箱起重机上，大车行走机构的作用是实现整机沿着码头前沿轨道作水平运

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动。大车行走机构由设在门框下的4组行走台车组成。

金属结构包括：海测门框、陆侧门框、前大梁、后大梁、梯形架、前拉杆、后拉杆、机房和司机室等组成。它是起重机承重构件。

2.2 减隔振装置可行方案分析

减隔振理论

起重机的全部质量主要靠大车运行机构中的四个支脚分担支撑。虽然地震时实际地面运动是三维的，两个水平分量和一个竖直分量，但是起重机在经受地震时，竖直方向一般起重机的强度储备较大，可以抗震。在平行于轨道的水平方向上可以用车轮在轨道上的滚动来减振。而在垂直于轨道的水平方向，由于起重机重心较高，摇摆使地面振动被放大，是地震破坏的主要原因。如日本阪神地震，地面振动加速度为0.3g ，但起重机重心处振动加速度则被放大到0.6 g以上。所以对抗地震集装箱起重机的减隔振装置设计必须考虑垂直于轨道的水平方向的减隔振。目前抗地震装置一般放置在起重机下横梁与大车行走机构之间，变刚性连接为柔性连接，通过弹簧调频和阻尼衰减等原理达到减隔振的目的。

起重机减隔振装置可以建立如图2.2所示的单自由度系统的分析模型。

图2.2 起重机单自由度系统模型

单质点系统的振动微分方程

cykymgmyx2ny2nygyx式中，c/2km，无阻尼圆频率nk （2.1）

m。

一个单自由度振动系统（图2.2所示）在周期外力作用时，它的幅频响应特性曲线见图2.3所示，为阻尼比，n为系统的固有频率，为振动外力的频率。当系统的固有频率接近振动外力的频率时，共振现象是十分明显的。而地震是一种随机现象，地

震波的频率成分是十分复杂的波，其中含有一定的卓越频率（美国加州地震反应谱的卓越频率为2.520或以周期表示为0.1s0.8s），所以当地震的卓越频率与结构的固有频率相一致时，结构的动力反应就要放大。而地震反应谱理论就是科学地考虑地面运动的特性与结构物的动力特性。

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图2.3 共振曲线

单质点系统的地震相对位移反应的杜哈美（Duhamel）积分式为

y1dt0()sin(t)d (2.2) en(t)gd2式中，有阻尼圆频率d1n。

对式（2.2）微分一次、二次即可以得到单质点振子地震相对速度和相对加速度反应积分公式，一般情况下，阻尼比数值很小，积分式可以简化为

yetgcosdtd (2.3）

0tydetgsindtdg (2.4）

0t由于地震加速度g是不规则的函数，一般可采用数值积分法求出反应的时间变化规律，即反应时程曲线。对不同单质点系统（不同的圆频率i或以周期表示

Ti2/i，不同的阻尼比i值）在选定的地震加速度g输入下，可获得一系列的相

对位移y，相对速度y，绝对加速度gy（绝对加速度乘单质点质量m，即地震惯性力）的反应时程曲线，并可以找到它的最大值，即ymax，ymax，ygmax。以不

同单质点系统的周期Ti为横坐标，以不同的阻尼比为参数，就可以绘出ymax，ymax，

ygmax的谱曲线，简称反应谱。

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图2.4 El-Centro波（南北水平分量）的ymax的反应谱

图2.4所示为El-Centro波求得的ymax的反应谱。如定义SDymax为相对位移谱（简称位移谱）、SVymax为拟速度反应谱和SAygmax为拟加速度反应谱（分别简

称速度谱和加速度谱）。SV和SA的词义前加“拟”，是因为式（2.3）和（2.4）都忽略了阻尼比值较小的影响。比较式（2.2）、（2.3）、（2.4），并近似认为式（2.3）和（2.4）中的积分式等效（其内分别含有cosdt与sindt项）。这样，就可以得到三个谱之间存在下列关系：

SD11SVSA 或SAd2SDSDSV (2.5） d显然，在式（2.5）中，如阻尼比为0，SASD是绝对正确的。式（2.5）的三个谱关系是近似的，即为Sd:Sv:Sa2::1。分别以三者为变量建立反应谱，根据对特定地震波在不同阻尼比时三者反应谱曲线的分析，可得出以下一些特点： 1. 阻尼比的影响很大，它可以显著降低结构反应幅值，既使较小的阻尼比可以平缓许多峰

值，因此，增大结构阻尼是控制结构反应的有效途径。 2. 位移反应随周期增大而增大。

3. 速度反应在周期达到一定值后基本趋于平缓。 4. 加速度反应在短周期波动剧烈且幅值较大，当周期加大时衰减迅速，但当周期达到一定

的值后接近常数。

5. 对于中频及高频系统，拟速度差不多等于最大相对加速度，但对于频率很低的系统，两

者差别甚大。从低频到高频，拟加速度和最大加速度之间的差别都不大。三个谱可以采

用四对数坐标系（SD，SV，SA，）绘在一张图上，图2.5所示为El-Centro地震作

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用下的单质点体系的三坐标（SD，SV，SA）反应谱。

图2.5 单质点体系在El-Centro地震作用下的三坐标反应谱

从图中明显可以看出，对于接近刚体的体系，趋近，最大加速度反应SA趋近

g；对于接近高柔性体系，趋近0，最大相对位移SDg；在期间，体系反应均

将大于地面运动相应最大值，若以a0，v0，d0表示gmax，gmax，gmax，即SDd0，

SVv0，SAa0，且放大倍数随阻尼比的增加而递减。

减隔振装置刚度和阻尼的确定

根据反应谱理论，将装有减隔震装置后的起重机的设计固有周期将延长至4.0秒，即可有效起到减隔振的作用。

集装箱起重机上部结构设计重量为1500吨。

2k2326N/m nkm1500103.710TmT4.0根据已有的建筑与桥梁设计经验，取

22c2mk20.215001033.71060.94106Ns/m

集装箱起重机减隔振的四大功能

集装箱起重机减隔振装置与应用已比较成熟的建筑桥梁减隔振装置不同，它必须具有四大功能。 一、触发功能：在起重机承受正常工作载荷、风载荷或轻微地震时，减隔振装置应能锁定，

起重机上部结构和大车行走机构之间刚性连接。在地震加速度达到0.2 g以上时减隔振

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装置被触发，起减隔振作用。三菱重工的触发功能用剪切销实现，振华港机的触发功能用地震波发生器记录地震，到达一定震级，用电动触发系统来实现触发。此外弹簧预紧力也可用作触发系统， 二、支承滑移功能：减隔振装置不但要能支承起重机上部结构。而且要使起重机上部结构和

大车行走机构之间产生相对滑移。双偏心回转支承结构（见图1），即日本三菱重工和上海振华港机的方案就具有支承滑移功能。由聚四氟乙烯和不锈钢钢板组成的滑碗、滑座是一种结构简单的支承滑移结构。

三、衰减功能：一般通过弹簧调频和阻尼衰减来达到衰减功能。

四、复位功能：震后起重机如果未被破坏，应尽快复位正常工作。弹簧或液压推力油缸均能

起到较好的复位功能。

集装箱起重机减隔振的可行方案

可以用于集装箱起重机减隔振的装置有双偏心回转支承结构、层叠橡胶支座、滑移支座等，将在以下章节详细介绍。

2.3 双偏心式减隔振装置设计

回转支承类似于特大型的滚动轴承，如图2.6所示。它将机器的上部和下部连接起来，用以支承上部的重量和工作负荷，并使上部能相对于下部旋转。

图2.6 回转支承

回转支承和普通轴承一样，都有滚动体和带滚道的滚圈。但是，它与普通滚动轴承相比，又有很多差异，主要的有以下几点：

 回转支承的尺寸都大，其直径通常在 0.4~10 米，有的竟达 40 米。

 回转支承一般都要承受几个方面的负荷，不仅要承受轴向力、径向力，还要承受较大的

倾翻力矩。因此，一套回转支承往往起几套普通滚动轴承的作用。

 回转支承的运转速度很低，通常在 10 转 / 分以下。此外，在多数场合下，回转支承

不作连续回转，而仅仅在一定角度内往返旋转，相当于所谓的“摆动轴承”。

双偏心回转支承减隔振装置由上部、下部回转轴承和回转轴承支座组成，如图2.7所示。两个回转支承通过回转支承支座连接并将双偏心回转支承装置安装在起重机下横梁和大车支座之间。

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图 2.7 双偏心回转支承

回转轴承支座可以相对起重机转动，大车可以相对回转轴承支座转动。地震时，地面运动带动下部回转支承运动，下部回转支承绕上部回转支承摆动，从而隔离地面运动对上部结构的影响，起到减隔振的目的。 回转支承代号编制方法（JB2300-84）

╳ ╳ ╳ • ╳ ╳ • ╳ ╳ ╳ ╳ ① ② ③ ④ ⑤ ①－产品类别：

０－球类回转支承

１－滚柱回转支承

②－滚道结构型式

１－单排交叉滚柱式单排四点接触球式

２－双排异径球式 ３－三排滚柱式

③－传动方式：

０－无齿式

１－渐开线圆柱齿轮外啮合小模数 ２－渐开线圆柱齿轮外啮合大模数 ３－渐开线圆柱齿轮内啮合小模数 ４－渐开线圆柱齿轮内啮合大模数

④－滚动体（钢球或滚柱）直径（mm） ⑤－滚道中心圆直径（mm）

此处选用三排滚柱式回转支承130.40.1600和130.40.1800

表2.1 三排滚柱式回转支承（13系列)JB2300－84 外形尺寸 型号 安装尺寸 参考重ф n1 H mm h mm 量kg 26 5 210 50 1300 结构尺寸 Dmm d mm H mm D1mm D2mm n 45 130.40.1400 1595 1205 220 1543 1257 实验教学资料 V1.0

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130.40.1600 1795 130.40.1800 1995 130.40.2000 2221 1405 1605 1779 220 220 231 1743 1943 2155 1457 1657 1845 48 48 60 26 26 33 6 210 6 210 6 219 50 50 54 1520 1750 2400 2.4 层叠橡胶式减隔振装置设计

层叠橡胶支座如图2.6所示，橡胶片和钢板相互交错叠置数层，上下有翼缘联结板，支座平面形状多为与方向无关的圆形。多层橡胶的中心为空心孔。从多层橡胶的承载机构来考虑，最好没有该中心孔，但在多层橡胶的制造时的加硫过程中，为使从外部加热时热分布均匀，保证产品的质量，设置该中心孔是必要的。为使多层橡胶适应气候变化，在多层橡胶外部设有保护层，该保护层采用耐性很好的材料制作。

图2.8 层叠橡胶支座构造

层叠橡胶支座设计关键要保证其水平刚度满足延长系统固有周期作用，其垂直刚度能支撑起重机上部结构。可参考以下说明加以计算。 水平刚度

层叠橡胶支座的水平刚度（剪切）是指橡胶支座上下板面产生单位相对位移时所需

施加的水平剪力，记为kH。在设计范围内，水平刚度kH受其他因素影响较小，可用下式计算：

khGA（Trntr纯剪切式） （2.6） Tr式中，G—橡胶材料的剪切模量；A—橡胶支座有效水平剪切面积；tr为单层橡胶厚度。 竖向刚度

竖向刚度是指橡胶支座产生单位竖向位移所需施加的竖向力。层叠橡胶支座的竖向刚度一般是水平刚度的几百到几千倍，所以一般情况下只需要对水平刚度进行校核。 最大水平变形能力

层叠橡胶支座的最大水平变形能力是由两种破坏情况中的最小值来确定的，即支座在承受竖向载荷的同时，由水平剪力引起的橡胶层破坏或由于剪切变形的不断增大，引起竖向刚度降低导致丧失承受竖向载荷能力而破坏来确定。用剪切变形除以总橡胶厚度的百分率形式来表示剪应变，对于天然橡胶，其剪切极限变形为400%。但设计中，

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为使橡胶支座尽可能工作在线性界限变形取橡胶直径的0.55倍和橡胶层总厚度的3倍中的较小值为佳。 阻尼比

橡胶支座在变形过程中消耗能量，提供了阻尼，这种阻尼主要取决于变形的速度。以天然橡胶为主要材料制作的支座，典型的阻尼系数范围为临界阻尼比的5%～10%。

2.5 滑移式减隔振装置设计

利用不锈钢与聚四氟乙烯材料之间存在相对低的滑动摩擦系数制成的支座已在桥梁中使用30多年，这种支座具有摩擦系数小，水平伸缩位移大的优点，这种装置允许桥梁在温度作用下发生位移。在极低速率，诸如温度和徐变推动下，四氟乙烯在不锈钢上的摩擦系数约为0.02到0.03；但在典型地震速度和桥梁支座压力下，摩擦系数却相当高，约在0.10到0.15之间，如不加润滑剂，此值将会更大。滑动摩擦支座的响应几乎为理想刚塑性，因而其能量耗散能力较大。

大量试验研究表明，当忽略滑动摩擦支座初始滑动的粘着状态时，可以用理想刚塑性曲线来描述其力—位移曲线，如图2.9所示。

图2..9 滑动摩擦支座的简化分析模型

滑动摩擦支座的重要设计参数是滑动摩擦系数S。滑动摩擦系数与相对速度和竖向压应力有关，当相对速度较低时，滑动摩擦系数较小；当相对速度较高时，滑动摩擦系数较大，并达到一定值后保持为常量。滑动摩擦支座的主要优点是对激励的频率不敏感。

当采用图2..9 的简化分析模型对滑动摩擦支座进行模拟时，滑动摩擦支座提供的水平力为:

FfSWsgnu （2.7）

其中：W为滑动摩擦支座承受的竖向力；u为接触面上的滑动速度。 当考虑初始滑动的粘着状态时，其摩擦力可以由公式（2.8）得到：

FfSWZ （2.8）

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其中，Z为考虑结构材料滞回特性的分量。当支座处于滑动阶段，即进入屈服，那么Z1；当处于弹性的粘着阶段时，的绝对值要小于1。

3试验模型设计的相似理论

3.1 相似理论

所设计的模型需要满足什么条件才能把从模型所得到的实验结果推算到实物上去呢？首先要保证模型和实物是力学相似的，其次还必须满足若干相似准则。

力学相似包括三个方面内容：一为几何相似，是指模型和实物间的任一线性长度有恒定的比例，同时二线间的夹角又保持不变。比如对于线长度l有

Cl由此得出二者的面积比为

l （3.1） lCA体积比为：

ACl2 （3.2） AvCl3 （3.3） vCv其中不带“׳”的指实物，带“׳”的指模型。其次是运动相似，即要求模型的变形位移、变形的速度、加速度与实物相似。第三是动力相似，即要求作用在实物上的外力和作用在模型上的外力相似，对弹性力

PEA （3.4）

有

CPCECCACECACECl2 （3.4）

下面推导弹性结构模型的相似准则

根据一般弹性力学梅拉方程知，弹性结构的变形要满足：

2ux2GGuxX2

zt2uy2Gu2 （3.5） GyYzt2uz2GGuzZ2

ztuxuyuz xyz实验教学资料 V1.0

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E

112E

21G其中，—―泊松比。其它参数同弹性力学规定。要求所设计的模型也要满足方程（3.5）的相似变形关系，这就需要按力学相似原则设计模型。现把各物理量的比例系数

uxCluuzCluuyClux z y YCYYZCZZ C

zClx… ECEE XCXX

C C GCGG

tCtt

代入方程（3.5），则有

CCGCl2uCG2x （3.6） GGuxCCxXC22ClxClxClCtt另因模型本身也满足拉梅方程：

2u2GGuxX2x （3.7）

xt由于方程（3.6）及（3.7）反映的是同一个模型的变形规律，故比较之可得

CClCCG CCX2ClClCt上式两边各乘以ClC，得

2CGCCXClCCl (3.8) 12CCCCt方程（5.4）就是保证模型与实物的变形相似准则。现在来分析当满足方程（3.8）

时的三个相似准则所应具备的条件：

(1) 要满足

因

CG1 (3.9) CCGG C G由何G的定义并代入（3.9）的左边得

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GCGGG12 CG12由此知，当时式（3.9）满足。即模型材料的泊松比与实物相同时才能保证严格的相似。

(2) 要满足

当时有

CCxClC1 (3..10）

Cx(3).要满足

CtClCE CClCCClCCE (3.11）

模型的设计除了满足上述三个基本的相似准则外，还要求模型和实物的边界条件相似。例如，若给出的是位移边界条件时则要求

Cu若给出的是面力边界条件是则要求

uCl uC若给出的是集中力时，则要求

CE CPpCECl2 p倘若满足上述相似准则，就能够保证从模型研究中所得到的物理量，推算到实物中各对应的物理量。其推算的比例系数为

C1,CCE,CPCECl2

Cf其中

11CtCtCE CCff f实验教学资料 V1.0

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f及f分别为实物及模型的频率。

3.2 相似关系的建立

为使从模型得到的应力与实物相同，即应力相似，模型和实物的杨氏弹性模量要严格的一样。以长度和杨氏弹性模量为基本物理量，其它物理量的相似比由量纲分析法得：

表3.1 相似比

物理量 长度 位移 密度 质量 力 单位压力 时间 频率 速度 加速度 弹性系数 阻尼

单位

换算式（模型/实物）

m m kg/m3

kg N

Cl CuCl

C1/Cl CmCl2 CFCl2 CpCF/CA1

N/m2

s

1/s m/s

CtCl Cf1/Ct1/Cl CvCu/CtCl CaCv/Ct1 CkCF/Cu CcCF/CvC

32lm/s2 N/m Ns/m

本试验只需要保证模型和实物的加速度相似，故取模型材料与实物相同，即它们具有相同的杨氏弹性模量和密度。其它物理量的相似比由量纲分析法得：

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表3.2 相似比

物理量 长度 位移 密度 质量 力 单位压力 时间 频率 速度 加速度 弹性系数 阻尼

单位

换算式（模型/实物）

m m kg/m3

kg N

Cl1/15 CuCl1/15

C1

CmCl31/3375 CFCl31/3375 CpCF/CACl1/15

N/m2

s

1/s m/s

CtCl1/15 Cf1/Ct15 CvCu/CtCl1/15 CaCv/Ct1

m/s2 N/m Ns/m

CkCF/CuCl21/225 CcCF/CvC1/22515 52l集装箱起重机相似模型

集装箱起重机上部金属结构按照长度相似比Cl1/15制作模型。为适应场地要求，进行适度简化。保留门框结构，将T形架、前后大梁和拉杆用质量块代替。

根据相似关系CkCF/CuC1/225和CcCF/CvC1/22515得到模型的弹性系数和阻尼：

2l52lKKCK3.71061/2251.6104kN

CCCC0.941061/225151080Ns/m

模型由四个减隔振装置支撑，每个减隔振装置的弹性系数和阻尼为

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KmK/41.6104/44000N/m CmC/41080/4270Ns/m

双偏心式减隔振装置相似模型

选用轴承

因为回转支承用于大型结构，模型选用单列推力球轴承。

当量静载荷P0aFamg/41160N 轴承静强度安全系数S0取1

2基本额定静载荷Coaf0ZDwsinS0P0a1160N

选用C0a2000N的52215和52226双向推力球轴承。 52215：d(d2)DH75(60)11047 52226：d(d2)DH130(110)19080

层叠橡胶式减隔振装置相似模型

因为层叠橡胶支座用于大型结构无小型系列，故模型只能选用橡胶块代替橡胶支座。

橡胶减振块的水平刚度为：

KhGS （3.12） H式中，G为橡胶材料的剪切模量，S为橡胶块的有效水平剪切面积，H为橡胶块的高度。

采用邵氏硬度为35，剪切模量为3.9kg/cm的橡胶，并取橡胶块的外形尺寸为

20.02m0.02m0.04m（长×宽×高），则橡胶减振块的刚度

Kr3800N/m

基本满足kr4000N/m要求。 强度校核：略

压缩强度校核：略

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滑移式减隔振装置相似模型

图3.1 滑移式减隔振装置示意图

滑移式减隔振装置减隔振原理如上图所示，车轮与轴固接在一起，轴能在大车支座里滑动并通过

活塞塞形阻尼器的阻尼值由下式估算：

DCC8L （3.13）

d式中，D—活塞缸直径，mm；d—阻尼孔直径，mm；L—阻尼孔总长度，m；

4—油液的动力粘度，v，其中v为运动粘度，m2/s；为密度，kg/m3。油液选

#o2择机械油10，运动粘度v7.13mm/s（50C），密度kg/m。取D/d2，

3代入式3.3得

C0.12

基本满足要求。

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4试验方案

4.1试验目的

1了解集装箱起重机减隔振设计过程及计算步骤

2了解集装箱起重机减隔振装置安装前后的振动响应

4.22、实验内容

2.1 装箱起重机减隔振可行性分析以及初步设计

2.2 .测定集装箱起重机在刚性（未加减隔振装置）的振动响应 2.3测定集装箱起重机在柔性（加减隔振装置）连接时的振动响应 2.4集装箱起重机刚性连接与柔性连接振动幅值的对比

4.3加速度传感器布置

加速度测点主要布置在以下位置

1. 2. 3. 4.

A1：大车行走机构重心处； A2：下横梁； A3：立柱中间； A4：上横梁；

4.4试验报告设计见下页。

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抗地震集装箱起重机减隔振装置

设计与试验

实验报告

同济大学机械工程学院

姓名 专业 学号

2010年 月 日

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1、实验目的：

1.1了解集装箱起重机减隔振设计过程及计算步骤

1.2了解集装箱起重机减隔振装置安装前后的振动响应

2、实验内容：

2.1 装箱起重机减隔振可行性分析以及初步设计

2.2 .测定集装箱起重机在刚性（未加减隔振装置）的振动响应 2.3测定集装箱起重机在柔性（加减隔振装置）连接时的振动响应 2.4集装箱起重机刚性连接与柔性连接振动幅值的对比

3、实验器材与设备

3-1实验器材表 序号 1 2 3 4 5 6 名称 冲击锤 加速度传感器 电荷放大器 电荷放大器 计算机采集分析系统 起重机模型 型号 编号

4、实验原理

4.1如何选用传感器、放大器、数据采集仪等组成一套有效的测试系统

4.2画出实验系统框图

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5、实验结果： 刚性（未加隔振装载）连接频率 冲击锤 敲击 位置 理论值 幅值 1 2 3 4 5 6 频率（HZ） 测量值 相位 理论值 幅值 测量值 相位 理论值 幅值 柔性（加隔振装载）连接 频率（HZ） 测量值 理论值 测量值 相位 幅值 相位 6、思考并回答问题：

6.1装箱起重机抗地震集减隔振必要性的阐述

6.2抗地震集装箱起重机减隔振装置应有的功能和可行性设计方案分析（四大功能组合方案）

6.3实验模型设计说明（相似比计算表、橡胶减隔振装置模型各部件设计步骤的阐述）：

起重机上部结构总重大约1500吨，在单自由度模型下，要使起重机在地震中的固有周期延长到4s，由公式：

2km

T2c2mk

根据橡胶手册选用GZY-350-G6号铅芯橡胶支座，具体参数为：

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表1.1

型号 橡胶外径 mm 内部钢板外径 mm 铅芯直径 mm 橡胶层 mm 橡胶总厚 mm 内部钢板厚 mm 6.3.2相似理论

根据设计要求模型与实物采用相同材料，密度及杨氏弹性模量相同。并要求得出的加速度也要相同，由相似理论计算公式得出相似比：

表2.1 相似比（不考虑重力）

物理量 长度 位移 密度 质量 力 单位压力 时间 频率 速度 弹性系数 阻尼 加速度 单位 M m kg/mKgN N/m2s 1/s m/s N/m N·s/m m/s2 3 GZY-350-G 420 400 80 3.8*18 68.4 2.0 总高度 mm 极限变形 % 屈服后刚度 KN/m 屈服力 KN 等效刚度 KN/m 等效阻尼比 % 竖向刚度 KN/m 162.4 302 830 23.5 1180 18.0 1209 换算式（模型/实物） Cl1/30 CuCl1/30 C1 CmCl31/3031/27000 CFCl21/900 CpCl1 CtCl1/30 Cf1/Ct30 CvCu/Ct1/Cl1/30 CkCF/CuCl1/30 CcCF/CvC1/3030 CaCv/Ct1 32l

6.3.3由相似关系得

K'KCk C'CCc

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6.3.4起重机由四个橡胶支座支撑，每个橡胶支座刚度和阻尼分别为：

KmK'/4

CmC'/4

6.3.5橡胶支座模型的设计

简化铅芯橡胶支座非线性分析模型，采用橡胶剪切弹性模量计算公式如下：

KhGAl Tr其中Kh为橡胶支座等效刚度，G为橡胶材料剪切弹性模量，Al为橡胶有效承压面积，Tr为橡胶层高度。G3.9210N/m Tr=ntr(纯剪切式)

橡胶支座模型设计高度tr0.01m，铅芯直径d0.005m,D=0.032 由公式Kh52GAl= Tr

6.4. 如集装箱起重机减隔振装置安装前后的振动响应有何变化?若有误差，讨论其原因。

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