起重機(jī)臂架正向設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)探討

郭崇嵩

摘要：本文所研究的是一種塔式起重機(jī)臂架的正向設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，把臂架看成一個(gè)與自身截面相等的結(jié)構(gòu)，對(duì)其超靜定進(jìn)行求解，根據(jù)等強(qiáng)度原則限制了弦桿的約束條件，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)有限元分析來(lái)優(yōu)化求解。第一次優(yōu)化得到臂架結(jié)構(gòu)，第二次優(yōu)化得到變截面結(jié)構(gòu)，且材料的分布更加合理。最后以所得參數(shù)進(jìn)行了某一型號(hào)塔式臂架的正向設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要探討了塔式起重機(jī)臂架的研究方向。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī);臂架;正向設(shè)計(jì);發(fā)展趨勢(shì)

0 ?引言

在當(dāng)今的建筑工程之中，塔式起重機(jī)是一種廣泛應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備，只有保障臂架的使用質(zhì)量和使用效率，才可以有效保障建筑工程的順利進(jìn)行。對(duì)于臂架而言，通過(guò)類比試算來(lái)確定構(gòu)件截面尺寸以及吊點(diǎn)位置的方法依然比較普遍，這種設(shè)計(jì)方法雖然可以讓臂架與施工需求相符合，但是應(yīng)用這種方法的設(shè)計(jì)效率始終難以提升，型材浪費(fèi)的問題也始終難以解決。本次就研究了塔式起重機(jī)臂架的正向設(shè)計(jì)方法，希望可以對(duì)臂架設(shè)計(jì)效率的提升和型材浪費(fèi)問題的解決提供一定的幫助。針對(duì)行業(yè)動(dòng)態(tài)提出了對(duì)于臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)的看法。

1 ?計(jì)算模型的建立

在雙吊點(diǎn)的塔式起重機(jī)之中，水平臂架是一個(gè)有著三角形橫截面的空間結(jié)構(gòu)，吊臂的一端和塔身鉸接在一起，中間的位置用兩個(gè)拉桿懸吊起來(lái)，另一端就是懸臂。在進(jìn)行正向設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先假設(shè)上下弦應(yīng)用的都是方鋼，且有著相等的橫截面積。在這個(gè)起重機(jī)的起升平面之中，臂架屬于一次超靜定結(jié)構(gòu)，它所承載的載荷不僅包括固定的載荷，也包括移動(dòng)的載荷[1]。在起重機(jī)的回轉(zhuǎn)平面之中，我們可以將臂架看做懸臂梁，通過(guò)這個(gè)懸臂梁，可以承載回轉(zhuǎn)慣性力、起升鋼絲繩傾斜以及側(cè)向風(fēng)載等情況下的所產(chǎn)生的水平方向的拉力。圖1就是其臂架的典型結(jié)構(gòu)。

在圖1中，如果將型材自身的慣性矩忽略不計(jì)，則這個(gè)橫截面結(jié)構(gòu)對(duì)于形心軸xc所產(chǎn)生的慣性矩可以是：

在以上的公式之中，起重機(jī)臂架的高度以及寬度分別用y1和x1來(lái)表示，下弦桿的橫截面積用S1來(lái)表示，上弦桿的橫截面積用S2來(lái)表示。

按照塔式起重機(jī)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，受力最大處為其幅度最大的位置，以及起重機(jī)的外跨中點(diǎn)以及內(nèi)跨中點(diǎn)。雙吊點(diǎn)臂架屬于一個(gè)雙向壓彎形式的構(gòu)件，為了讓機(jī)械性能得到充分利用，其外跨段、內(nèi)跨段以及外伸段最大應(yīng)力絕對(duì)值在典型的工況條件之下都可以基本相等，也就是與其強(qiáng)度需求基本相符，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)各個(gè)變量值進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以讓臂架的應(yīng)力得到合理分配[2]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要計(jì)算出拉、壓力，就可以求出整個(gè)雙吊點(diǎn)水平臂架的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。圖2就是其內(nèi)力計(jì)算模型。

2 ?應(yīng)力計(jì)算分析

在軸力、風(fēng)載以及彎矩的作用之下，塔式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的外跨段、內(nèi)跨段、上弦桿、下弦桿以及懸臂段上的應(yīng)力可以按照以下的公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

3 ?初步優(yōu)化求解分析

在對(duì)臂架的等截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)學(xué)模型可以按照如下的方式進(jìn)行描述：

3.1 變量的設(shè)計(jì)

在對(duì)臂架進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先應(yīng)該對(duì)以下的幾個(gè)基本參數(shù)進(jìn)行確定：其一是下弦桿截面積S1的確定，其二是上弦桿截面積S2的確定;其三是臂架架高y1的確定，其四是臂架架寬x1的確定;其五是外吊點(diǎn)到內(nèi)吊點(diǎn)之間的距離b的確定，其六是內(nèi)吊點(diǎn)到臂架根部鉸點(diǎn)之間距離a的確定，其七是塔帽高度h的確定，其八是內(nèi)拉桿截面積S4的確定，其九是外拉桿截面積S3的確定。其設(shè)計(jì)變量的公式如下：X=[S1，S2，S3，S4，y1，x1，a，b，c，h，]T

3.2 目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)

在對(duì)臂架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要的目標(biāo)是使其實(shí)現(xiàn)輕量化。假設(shè)其上弦桿和下弦桿應(yīng)該使用同樣的材料，并保障截面相同，所以其等價(jià)目標(biāo)函數(shù)如下：

3.3 約束條件的設(shè)計(jì)

在這個(gè)臂架之中，結(jié)構(gòu)件最大的應(yīng)力一定要比材料所允許的應(yīng)力小，并將等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。因?yàn)橐呀?jīng)假設(shè)了上弦桿的截面和下弦桿的截面相等，所以在臂架的外跨段、內(nèi)垮段以及懸臂段處于典型的工況之下最大應(yīng)力不可能完全符合等強(qiáng)度要求。因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，裕度的初步選擇是在30%以下，所以約束條件如下：

在以上的公式之中，i=1，2，3，臂架的弦桿型材允許應(yīng)力用[？滓]來(lái)表示，拉桿材料的允許應(yīng)力用[？滓b]來(lái)表示，臂架長(zhǎng)度用l來(lái)表示。

4 ?對(duì)塔式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)有限元的分析與優(yōu)化

在進(jìn)行塔式起重機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了有效實(shí)現(xiàn)其輕量化的目標(biāo)，一定要通過(guò)變截面的方法對(duì)不同的臂段進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要用規(guī)格與截面參數(shù)都不同的型材對(duì)其外跨段、內(nèi)跨段以及外伸段進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是在進(jìn)行弦桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要通過(guò)變截面的技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)之前算出的等截面臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，從型材數(shù)據(jù)庫(kù)之中對(duì)相應(yīng)的型材進(jìn)行查找，并通過(guò)ANSYS系統(tǒng)來(lái)提供出一個(gè)APDL，這樣就可以建立起一套參數(shù)化的臂架有限元模型，通過(guò)這樣的方式，也就可以進(jìn)一步優(yōu)化這個(gè)臂架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而求出合理的變截面，然后進(jìn)行其設(shè)計(jì)參數(shù)的合理設(shè)置。

在對(duì)臂架進(jìn)行空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該通過(guò)梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬的形式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)臂架進(jìn)行拉桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該通過(guò)桿單元LINK8模擬的形式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)臂架的起升機(jī)構(gòu)、變頻機(jī)構(gòu)、平衡重以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行集中質(zhì)量設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該通過(guò)將質(zhì)量單元MASS21模擬施加在相應(yīng)位置上的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也應(yīng)該將梁?jiǎn)卧唾|(zhì)量控制單元之間進(jìn)行耦合。在塔式起重機(jī)的塔身，與混凝土基礎(chǔ)之間互相連接的四個(gè)基礎(chǔ)節(jié)約束點(diǎn)應(yīng)該通過(guò)固定約束的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在ANSYS系統(tǒng)之中建立起一個(gè)臂架的有限元模型，并進(jìn)行參數(shù)化的加載，求解，再借助于ANSYS的命令，將與當(dāng)前工況所對(duì)應(yīng)的上弦桿最大應(yīng)力以及下弦桿最大應(yīng)力提取出來(lái)，最后再進(jìn)入到優(yōu)化模塊之中實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)變量的進(jìn)一步優(yōu)化。圖3就是通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程圖。

5 ?塔式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)探討

5.1 大噸位化

隨著裝配式建筑概念的提出和推廣，小噸位的起重機(jī)已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需求，正逐步退出歷史舞臺(tái)，需要大噸位的臂架結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的起重性能。

5.2 平頭化、動(dòng)臂化

隨著行業(yè)的發(fā)展，除了本文所討論的拉桿式臂架，平頭式塔式起重機(jī)和動(dòng)臂式塔式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)會(huì)占據(jù)越來(lái)越多的比例。

平頭式塔式起重機(jī)臂架力學(xué)模型更簡(jiǎn)單，受力更明確，空間需求小，適合群塔作業(yè);而針對(duì)城市建設(shè)，動(dòng)臂式塔式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)擁有實(shí)現(xiàn)小幅度吊裝，回轉(zhuǎn)半徑小等優(yōu)點(diǎn)。

5.3 模塊化設(shè)計(jì)

臂架經(jīng)過(guò)正向設(shè)計(jì)為不同截面的桁架結(jié)構(gòu)，在正向設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮模塊化和互換性，增加或減少一節(jié)臂架能夠快速實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)主導(dǎo)的不同起重性能的臂架，縮短設(shè)計(jì)周期，快速占領(lǐng)市場(chǎng)，成為市場(chǎng)的風(fēng)向標(biāo)。

5.4 輕量化設(shè)計(jì)

輕量化設(shè)計(jì)是提升其起重性能最快速，最直接的方法之一，臂架結(jié)構(gòu)的重量抵消掉了一部分起重性能，同等起重性能，臂架的重量較大，會(huì)導(dǎo)致平衡臂乃至塔身都需要提升一個(gè)規(guī)格，增加成本。輕量化設(shè)計(jì)的主要方法有：局部加強(qiáng)，高強(qiáng)鋼使用等等。

6  結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著工程行業(yè)不斷發(fā)展，塔式起重機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，而其臂架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對(duì)于起重機(jī)的工作質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。因此，要想保障塔式起重機(jī)的工作效率與工作質(zhì)量，使其在工程施工之中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，我們就應(yīng)該對(duì)塔式起重機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行正向的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各個(gè)截面應(yīng)力的控制，使其應(yīng)力差達(dá)到最小，并以此作為約束條件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)臂架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓臂架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)模型的建立，通過(guò)參數(shù)有限元分析方法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩次的優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣才可以讓塔式起重機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)得到合理的正向設(shè)計(jì)，這對(duì)于塔式起重機(jī)應(yīng)用效果的提升和工程行業(yè)的發(fā)展都十分有利。結(jié)合行業(yè)的發(fā)展和國(guó)家政策，探討了塔式起重機(jī)臂架發(fā)展趨勢(shì)，希望通過(guò)本次的設(shè)計(jì)與分析，可以對(duì)塔式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供出一定的參考價(jià)值。

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