塔式起重機(jī)臂的結(jié)構(gòu)分析

黃忠文，王 培，於潛軍

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，塔式起重機(jī)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]，在建筑建造的過程擔(dān)任頂替?zhèn)鹘y(tǒng)人工搬運(yùn)的重要角色，可以輕松實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件垂直運(yùn)輸和水平運(yùn)輸.在建造高層建筑房屋時(shí)，對起重機(jī)的安全使用提出了更高的要求，應(yīng)用中主要存在以下問題：生產(chǎn)設(shè)計(jì)方的能力水平存在著某些方面的不足；設(shè)計(jì)后的傳統(tǒng)檢驗(yàn)方式主要依靠在使用過程中的監(jiān)督和檢查，難以做到精確評估設(shè)備設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際使用要求；安裝和施工中不按規(guī)范操作等[1].若是這些問題不及時(shí)加以解決，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，對施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的損害.故在起重機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，引入工況對比設(shè)計(jì)、方案對比設(shè)計(jì)，對于更合理地設(shè)計(jì)起重機(jī)臂和提高其安全性有著重大的意義.

1 塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介

工程中常見的起重機(jī)有門式起重機(jī)、橋式起重機(jī)、塔式起重機(jī)等幾大類型，而塔式起重機(jī)在房屋建筑行業(yè)使用最為廣泛.

塔式起重機(jī)主要由起重臂、斜拉桿、塔身、平衡臂、起升滑輪組等部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.

圖1 塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the tower crane注：1-配重；2-平衡臂；3-斜拉桿；4-起重臂；5-起升滑輪組；6-塔身

起重臂作為塔式起重機(jī)中的重要組成部分，扮演著懸掛和承載重物的角色，但由于在固定端處承受了最大的彎矩易導(dǎo)致強(qiáng)度破壞，在自由端處容易出現(xiàn)變形過大而導(dǎo)致剛度失效.對起重機(jī)臂進(jìn)行強(qiáng)度與剛度方面的分析，以達(dá)到滿足使用時(shí)所要求的安全性目的.

在滿足塔式起重機(jī)的相關(guān)性能要求下，單獨(dú)選取起重臂作為研究對象.對某起重機(jī)臂采用有限元軟件建立幾何模型，在選用合理單元、設(shè)置合理材料屬性和截面尺寸的基礎(chǔ)上，建立有限元網(wǎng)格模型，施加與實(shí)際工況相一致的約束形式和作用荷載，求解并進(jìn)行后處理[2]，得到起重機(jī)臂強(qiáng)度與剛度方面的相關(guān)參數(shù).在此基礎(chǔ)上，基于對應(yīng)力較大的部位和變形較大的部位進(jìn)行局部加強(qiáng)可以改善強(qiáng)度與剛度性能的思路[3]，提出一些設(shè)計(jì)合理的使用安全的起重機(jī)臂的方案.

2 起重機(jī)臂有限元分析

2.1 模型建立

2.1.1 單元選用 由于起重臂在空間里縱向長度大，組合結(jié)構(gòu)的桿件類型和數(shù)量多，采用桿梁單元概念建模可大大簡化建模過程[4].在機(jī)臂體系中該結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力有軸力、剪力和彎矩，故選用梁單元最為合適.在眾多梁單元中，Beam188單元既可以查看節(jié)點(diǎn)位移情況，也可以查看應(yīng)力情況.而剛度可以由位移來表征，強(qiáng)度可以由應(yīng)力來表征，故在設(shè)定單元類型時(shí)選Beam188可以滿足后文在分析強(qiáng)度與剛度的需求.

機(jī)臂上的梁截面類型共有7種：方管口66×6 mm；圓管φ34×3 mm；圓管φ42×3 mm；圓管φ48×3 mm；圓管φ28×3 mm；方管口50×4 mm；圓管φ60 mm.

2.1.3 幾何建模 采用線來模擬起重機(jī)臂上的桿件結(jié)構(gòu).起重機(jī)臂整體由若干個(gè)基本單元拼裝組成，結(jié)合機(jī)臂的實(shí)際尺寸將基本單元體系進(jìn)行復(fù)制，對復(fù)制后的體系進(jìn)行布爾運(yùn)算.模型中的線粘接在一起后，起重機(jī)臂整體在幾何上就有了關(guān)聯(lián)性，幾何模型如圖2所示.

圖2 起重臂幾何模型Fig.2 Geometry model of the boom

2.2 劃分網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格時(shí)需保證對各線匹配正確的截面屬性.選取同類截面形式的線，再對該類線段賦予合理的截面屬性，將具有合理截面屬性的線段同時(shí)劃分網(wǎng)格.通過“顯示屬性”命令可以看到各個(gè)梁的單元形式.圖3即為起重臂的部分有限元模型.

圖3 部分有限元模型Fig.3 Part of the finite element model

2.3 加載與求解

實(shí)際情況中，塔體近似不動(dòng)，起重斜拉桿和起重臂無相對位移，因此對靠近塔體的最左端兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)全約束，起重斜拉桿和上弦桿交匯處兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)也施加全約束.實(shí)施加載時(shí)，把小車和吊鉤自重及物重加載到下弦桿的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上.約束和載荷施加完成后，即可求解.

2.4 后處理

求解完成后，在后處理模塊中，可查看機(jī)臂結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖和Von Mises等效應(yīng)力云圖.將云圖中數(shù)值和工程中的許用應(yīng)力和許用撓度進(jìn)行比較，可判定該起重機(jī)臂是否滿足強(qiáng)度與剛度要求.

3 強(qiáng)度與剛度分析

3.1 兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度與剛度分析

方案1和方案2如下表1，兩種方案下機(jī)臂結(jié)構(gòu)求解計(jì)算完成后，分別得到對應(yīng)的位移云圖和應(yīng)力云圖.圖4和圖6為方案1起重臂的Y方向位移云圖和Mises應(yīng)力云圖；圖5和圖7為方案2時(shí)起重臂的Y方向位移云圖和Mises應(yīng)力云圖.

表1 兩種設(shè)計(jì)方案Table 1 Two kinds of design schemes

圖4 方案1的Y方向位移云圖Fig.4 The displacement nephogram of Y axis in the first scheme

圖5 方案2的Y方向位移云圖Fig.5 The displacement nephogram of Y axis in the second scheme

圖6 方案1的Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6 The Von Mises stress nephogram in the first scheme

圖7 方案2的Von Mises應(yīng)力云圖Fig.7 The Von Mises stress nephogram in the second scheme

從圖4～8中可以看出，方案1的Y方向最大位移為68.478 mm，最大應(yīng)力為100.325 MPa；方案2的Y方向最大位移為122.201 mm，最大應(yīng)力為259.866 MPa.

結(jié)果表明方案1比方案2有更好的強(qiáng)度與剛度，且方案1的Y方向最大位移遠(yuǎn)小于3/1 000L(L為起重臂總長)[5-6]，最大應(yīng)力小于Q235的許用應(yīng)力.故方案1較為合理.固定一根斜拉桿改變另一根位置或者兩根桿一起改變時(shí)，利用上述方法分別計(jì)算這些位置下的位移和應(yīng)力，可以證明，方案1是合理拉桿位置，配置拉桿時(shí)可選擇在方案1兩拉桿附近.綜上所述，可以通過改變斜拉桿的位置或增加斜拉桿數(shù)量來達(dá)到提高機(jī)臂強(qiáng)度與剛度的目的，從而使得起重機(jī)整體更為安全.

3.2 合理設(shè)計(jì)下的兩種工況強(qiáng)度與剛度分析

由于小車在起重臂長度方向上可以行走，小車的位置即為載荷所在的位置.采用上述的方案1的設(shè)計(jì)，在行走過程中，小車位置的不同，機(jī)臂結(jié)構(gòu)有著對應(yīng)的位移和應(yīng)力值.需校核整個(gè)起重臂在加載情況下的位移與應(yīng)力.

定義兩種工況見下表2，分別對兩種工況下機(jī)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到相應(yīng)的Y方向位移云圖和Von Mises應(yīng)力云圖.圖8至圖11為兩種工況下得到的Y方向位移云圖和Von Mises應(yīng)力云圖.

表2 合理設(shè)計(jì)下的兩種工況Table 2 Two kinds of working conditions in a reasonable design

圖8 工況1的Y方向位移云圖Fig.8 The displacement nephogram of Y axis in the first working condition

圖9 工況2的Y方向位移云圖Fig.9 The displacement nephogram of Y axis in the second working condition

圖10 工況1的Von Mises應(yīng)力云圖Fig.10 The Von Mises stress nephogram in the first working condition

圖11 工況2的Von Mises應(yīng)力云圖Fig.11 The Von Mises stress nephogram in the second working condition

通過對比上述兩種工況下的位移和應(yīng)力云圖，可得知：工況1下Y方向最大位移為38.278 mm，最大應(yīng)力為100.348 MPa；工況2的Y方向最大位移為146.244 mm，最大應(yīng)力為186.254 MPa.工況1的Y方向最大位移沒有超出3/1 000L上限，最大應(yīng)力也沒有超出許用應(yīng)力的值；工況2的位移雖然沒有超出3/1 000L上限，但最大應(yīng)力超出許用應(yīng)力的值，即上弦桿和下弦桿的應(yīng)力過大.通過查看某些局部位置的位移值和應(yīng)力值并與工程許用位移和應(yīng)力值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在斜拉桿和機(jī)臂連接處應(yīng)力值過大，甚至是超過了許用范圍，但是在實(shí)際制造的過程中該局部小區(qū)域得到了加強(qiáng)，與其它危險(xiǎn)區(qū)域比較，該局部小區(qū)域雖應(yīng)力值過大但卻并非實(shí)際上最危險(xiǎn)的區(qū)域.較為危險(xiǎn)的區(qū)域依然是上述最遠(yuǎn)端附近區(qū)域.該局部加強(qiáng)的方法也可以應(yīng)用到該危險(xiǎn)區(qū)域，以達(dá)到加強(qiáng)機(jī)臂強(qiáng)度與剛度的作用，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)處于良好的使用狀態(tài).在合理斜拉桿約束的情況下，長斜拉桿約束的位置至起重臂最遠(yuǎn)端為危險(xiǎn)區(qū)段，施工中滑動(dòng)小車在起吊較重物料時(shí)應(yīng)盡量避免長時(shí)間處于此區(qū)段，可大大提高機(jī)臂在負(fù)荷時(shí)的安全性.

4 結(jié) 語

通過有限元軟件對某塔式起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度有限元分析，得到相關(guān)可行的設(shè)計(jì)方案及起重機(jī)臂在負(fù)荷時(shí)的最大應(yīng)力和最大撓度值，并將之與實(shí)際制造采用的鋼材的許用應(yīng)力和最大撓度進(jìn)行對比，得到強(qiáng)度與剛度方面的結(jié)論如下：

(1)對比兩約束方案的位移和應(yīng)力情況，可以看出方案1中所設(shè)計(jì)的斜拉桿位置較為合理，可大大地提高機(jī)臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度性能.通過改變斜拉桿位置或增加斜拉桿的數(shù)量可進(jìn)一步提高起重機(jī)臂的承載能力.

(2)對比兩種工況下的位移云圖和應(yīng)力云圖，得知不同的起吊位置對于整個(gè)機(jī)臂的強(qiáng)度與剛度有著不同的要求.通過分析不同工況下的位移和應(yīng)力值，反過來又可以指導(dǎo)斜拉桿方案的選用，進(jìn)一步優(yōu)化起重機(jī)臂的安全性能.

(3)塔機(jī)設(shè)計(jì)員在設(shè)計(jì)階段使用有限元軟件對機(jī)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可有效地選取并改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量[7].

致 謝

本文研究工程得到武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的鼎力支持，在此表示衷心的感謝！

[1] 馬俊.基于ANSYS的塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與試驗(yàn)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

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