一種新型擦窗機底座的應用研究

李玉杰，謝丹蕾，李 沿，孔園春

（1.中國建筑科學研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.廊坊凱博建設機械科技有限公司，河北 廊坊 065001）

擦窗機作為一種常設高空作業(yè)載人設備，對其安全性和可靠性要求非常高，各個部件都必須具有足夠的強度和承載力，特別是擦窗機的底座，承載著整個擦窗機的重量及其載荷，其結構復雜，臂長30m以上的擦窗機,底座的外形尺寸達到了3.5m×3.5m～4m×4m，在滿足承載力的要求下，組裝運輸方便也是設計的重要參數(shù)要求之一。基于這些設計需求，我們提出了一種新的底座組裝連接方式，通過計算以及實際工程應用表明，該底座具有可推廣性。

1 擦窗機整體結構

擦窗機主要由臂頭、伸縮吊臂、立柱、卷揚機構、底座等組成，如圖1所示。擦窗機工作時，放置在建筑物樓頂，主要通過臂頭、伸縮吊臂、回轉機構來使吊船接近建筑物的外立面，完成建筑物外立面的清洗、保養(yǎng)以及維護工作。

圖1 擦窗機主要結構示意圖

2 底座的結構形式

圖2是兩種底座連接方式的結構示意圖，本文所研究的底座主梁和側梁連接方式是銷接，以往的連接方式是螺栓連接。銷接工作可靠，拆卸方便；螺栓連接雖然能精確固定被連結件的位置和承受一定的橫向力，但是加工精度要求高。

圖2 底座結構示意圖

該底座4m×4m的尺寸可分解為主梁2m×3.5m和側梁0.3m×4m的外形尺寸，這樣的安裝連接方式便于運輸。

3 底座危險工況的確定

擦窗機的底座要承受所有部件的重量及其工作載荷，這些載荷可簡化為回轉以上的力P1（旋轉部件載荷）和回轉以下的力P2，繞著旋轉部件重心的前后彎矩差M，這些表現(xiàn)在底座上的力是4個輪壓，如圖3所示，輪壓計算公式如下。

式中α——吊臂與底座中心線的夾角，與主回轉轉動的角度有關；

P1——回轉以上部件的重量；

P2——回轉以下部件的重量；

Mx、My——旋轉部分載荷向旋轉中心轉化的力矩在x、y方向的分力矩；

La、Lb——分別是底座的軌距和輪距。

圖3 輪壓計算示意圖

P1，P2是設備所有部件的自重以及所有載荷，是常量，M是繞著旋轉部件重心的前后力矩差，與回轉以上部分的重心有關系，重心不變，相對也是常量。顯然，當a=45°時，輪壓最大，即底座受力最大，此工況為底座最危險工況。經計算，可得各輪壓如下：Rt1=33.8kN，Rt2=92.5kN，Rd1=92.5kN，Rd2=161.3kN，可見，最大輪壓Rd2=161.3kN。

4 底座側梁的計算

側梁最危險截面是側梁與主梁銷接處，側梁受力示意和截面如圖4所示。

圖4 側梁受力示意和截面圖

圖4中，F(xiàn)等于最大輪壓Rd2，即F=161.3kN；L=0.65m。

截面的抗彎模量W1=1010667mm3；則

側梁的材料是Q235B,根據(jù)GB19154-2017要求，安全系數(shù)n=1.5。則：

滿足強度要求。

5 整體結構計算

擦窗機的底座承載著整個擦窗機的重量及其載荷，其結構復雜，傳統(tǒng)計算方法在整體應力和變形及其局部應力計算都受到了一定的限制。用有限元方法對擦窗機底座進行輔助設計，既提高了工作效率又可使計算精度大大提高。

在有限元計算中，模型的簡化至關重要。底座是箱形結構，為了保證計算結果的可靠性，底座金屬結構采用板殼單元進行模擬，立軸及其驅動輪軸都用梁單位模擬，由上述可知底座最危險的工況為吊臂夾角為45°時的工況，為了模擬吊臂45°方向對底座受力的影響，模型還包括了伸縮吊臂和立柱，兩者都用梁單元模擬。

由計算結果可知，底座最大應力為113MPa，滿足強度要求。最大應力出現(xiàn)在側臂與主臂連接銷子附近上蓋板與腹板的連接處，說明兩立軸的距離決定著附近側臂蓋板和腹板連接處應力的大?。蛔畲笪灰茷?.8mm，在底座的跨中位置，滿足GB19154-2017撓度不大于1/200的要求，滿足剛度要求。因此該底座在額定載荷下，能保證安全工作。

6 結 語

該底座在車間組裝過程中拆卸方便，已經應用在多個工程項目中，擦窗機在運行過程中，底座受力平穩(wěn)，工作可靠。