軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

樂(lè)韻斐,張 苗,錢(qián) 根

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)

隨著大型構(gòu)件的安裝和維修作業(yè)日益增多,液壓提升和液壓滑移裝置得到迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品有鋼絞線式提升系統(tǒng)、鏈板式頂升系統(tǒng)、液壓滑移系統(tǒng)等[1],其技術(shù)趨于成熟.本文設(shè)計(jì)的軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)采用了1種承載軌道和輔助塔架的組合設(shè)計(jì),對(duì)比相同承載能力的塔架起重系統(tǒng),降低了系統(tǒng)的重量,節(jié)約了成本.

1 軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)工作原理

軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)主要包括頂升液壓缸、上下插銷(xiāo)機(jī)構(gòu)、承重軌道、輔助塔架、軌道踏板和卡子等,如圖1所示.頂升液壓缸的2端分別鉸接在上下插銷(xiāo)機(jī)構(gòu)上,上下插銷(xiāo)機(jī)構(gòu)卡在承重軌道上,承重軌道上每隔一定間距設(shè)有踏板,工作時(shí),通過(guò)插銷(xiāo)與踏板的相互作用承受載荷.承重軌道通過(guò)卡子連接到輔助塔架上,以保證軌道的穩(wěn)定性.輔助塔不受垂直方向的載荷,設(shè)計(jì)為方形塔架,結(jié)構(gòu)較為輕巧.

軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)是通過(guò)頂升液壓缸的同步伸縮和插銷(xiāo)的插拔實(shí)現(xiàn)重物的步進(jìn)式升降,工作過(guò)程如圖2所示.圖中H1為過(guò)程1,5的頂升高度;H2為過(guò)程3,7的頂升高度.在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)需要,組合2個(gè)或多個(gè)軌道承載式液壓爬行系統(tǒng)同時(shí)使用,該系統(tǒng)的輔助塔架也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,改為固定墻或則固定立柱等,使用前必須驗(yàn)證其穩(wěn)定性.

圖1 軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)模型Fig.1 Model of the orbit-loaded hydraulic climbing system

2 軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

典型的軌道截面有實(shí)心方形、箱形和H形.由于H形軌道的抗彎模量較大,易于布置踏板,制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,因此擬采用H形軌道.軌道截面參數(shù)直接影響軌道的重量、承載能力和成本,需對(duì)H形軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

H形軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型由目標(biāo)函數(shù),強(qiáng)度、穩(wěn)定性約束條件[2],厚度約束條件3大部分組成.

圖2 軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)的工作過(guò)程圖Fig.2 Working process of the orbit-loaded hydraulic climbing system

H形軌道截面示意圖如圖3所示.在滿足軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性的條件下,以軌道截面積最小為最優(yōu)目標(biāo),建立目標(biāo)函數(shù):

式中:S為軌道截面面積;t1,t2,h,b為H形軌道的截面尺寸,如圖3所示.

強(qiáng)度、穩(wěn)定性控制條件:截面尺寸必須滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性的要求,而且使構(gòu)件截面的應(yīng)力小于并盡量等于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度.

軌道底端處的應(yīng)力為

圖3 軌道截面參數(shù)Fig.3 Orbital section parameter

式中:FN為工作載荷;L為軌道長(zhǎng)度;ρ為軌道密度;g為重力加速度,g=9.8 m·s-2.

載荷因子為

式中:Fcr為臨界載荷;E為彈性模量;I為軌道慣性矩;μ為長(zhǎng)度因數(shù).

式中:Ix,Iy是H型截面對(duì)x,y軸的慣性矩.

厚度約束條件:由于鋼板的焊接條件和鋼板的局部強(qiáng)度的限制,鋼板的厚度的約束條件為

由上可得軌道優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

軌道的材料選用Q345,屈服應(yīng)力σs=295 MPa,軌道的強(qiáng)度安全因數(shù)取為2,穩(wěn)定安全因數(shù)一般高于強(qiáng)度安全因數(shù),取為4.5.以6 m長(zhǎng)的軌道為例,優(yōu)化結(jié)果如表1所示.

表1 優(yōu)化前后截面尺寸對(duì)比Fig.1 Comparison of cross section before and after optimization

從表中可以看出,在滿足軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性的條件下,軌道的橫截面積明顯減小,經(jīng)計(jì)算,軌道質(zhì)量減小了19.6%.

3 軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響因素主要包括軌道的截面參數(shù)、卡子間距、塔架尺寸和纜風(fēng)繩的初張力等.以優(yōu)化后的軌道截面參數(shù)建模,通過(guò)有限元軟件分析,得到卡子間距與軌道載荷因子的關(guān)系,如圖4所示.其中載荷因子等于臨界載荷與工作載荷的比值,在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)軌道穩(wěn)定性條件選擇合理的卡子間距.

本節(jié)主要在確定軌道截面參數(shù)和卡子間距的條件下,探討塔架尺寸和纜風(fēng)繩的初張力對(duì)軌道系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.

3.1 軌道系統(tǒng)的模型

軌道系統(tǒng)由H形軌道、塔架和纜風(fēng)繩組成,其中塔架由4根塔柱、橫桿和斜桿構(gòu)成.軌道截面為H形,材料為Q345.塔柱使用格構(gòu)式鋼柱,選用正方環(huán)形截面,截面尺寸為200mm×200mm×8mm×8mm,材料為Q235;橫桿與斜桿的截面尺寸為60mm×60mm×4mm×4mm,材料為Q235,塔架尺寸參數(shù)為L(zhǎng)×L.在實(shí)際應(yīng)用中,纜風(fēng)繩與地面的夾角值越小,塔架系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高,但隨著夾角的變小,纜風(fēng)繩對(duì)塔架產(chǎn)生的垂直應(yīng)力增大,纜風(fēng)繩的長(zhǎng)度也會(huì)變長(zhǎng).本模型選擇纜風(fēng)繩與地面的夾角為50°,截面為φ 32mm.建立軌道系統(tǒng)的有限元模型如圖5所示.

圖4 卡子間距與載荷因子關(guān)系圖Fig.4 Relationship chart of bands'spacing and load factor

圖5 軌道系統(tǒng)的有限元模型Fig.5 Finite element model of the rail system

3.2 載荷分析

軌道主要承受恒荷載、自重和風(fēng)荷載的作用,其中恒荷載包括重物和起重橫梁的重量.塔架的作用只是防止軌道失穩(wěn),主要承受自重和風(fēng)荷載的作用.以6級(jí)及6級(jí)以下風(fēng)為例計(jì)算風(fēng)荷載[3],規(guī)定在6級(jí)風(fēng)速以上的環(huán)境下禁止爬升器工作.

3.3 分析結(jié)果

使用ANSYS10.0軟件分析軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性,軌道系統(tǒng)為梁-索-桁架混合結(jié)構(gòu),屬于高度非線性的空間結(jié)構(gòu).計(jì)算時(shí)考慮幾何非線性的影響,采用修正的Newton-Raphson法求解非線性方程組,在求解的過(guò)程中不斷修正結(jié)構(gòu)體系的總剛度矩陣[4]最終獲得精確的計(jì)算結(jié)果如圖6,7所示.

圖6 纜風(fēng)繩的初張力與軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全因數(shù)關(guān)系圖Fig.6 Relationship chart of initial tension and stability safety coefficient

圖7 塔架的尺寸與軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全因數(shù)關(guān)系圖Fig.7 Relationship chart of tower's size and stability safety coefficient

根據(jù)分析結(jié)果可以看到,隨著纜風(fēng)繩初張力或塔架尺寸的增大,軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性都會(huì)隨之提高,但較大的纜風(fēng)繩初張力會(huì)增大塔柱的局部應(yīng)力,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致纜風(fēng)繩上出現(xiàn)較大的張力,故在選取纜風(fēng)繩初張拉力時(shí),必須驗(yàn)算纜風(fēng)繩在工作時(shí)的張力,以保證其小于纜風(fēng)繩的承受極限.較大的塔架尺寸會(huì)增加軌道系統(tǒng)的重量,因此在設(shè)計(jì)塔架尺寸時(shí),應(yīng)在滿足穩(wěn)定性的條件下,盡量選擇較小的塔架尺寸.

4 算例分析

以工作載荷19.6 MN荷載為力的單位kN,起重高度100 m為例,組合4個(gè)爬升器同時(shí)工作.首先在滿足軌道穩(wěn)定性和強(qiáng)度的前提下,運(yùn)用有限元軟件優(yōu)化軌道截面參數(shù),如表1所示,軌道的翼緣板厚為50mm、腹板厚為52mm、腹板寬為190mm、翼緣板寬為280mm.設(shè)計(jì)軌道的局部載荷因子為4.5,從圖4中可查出卡間距為6 m.設(shè)計(jì)軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全因數(shù)為3.5,則從圖6,7中可查出纜風(fēng)繩初張力為50 kN,塔架尺寸為2.2 m×2.2 m,經(jīng)計(jì)算該軌道系統(tǒng)的總質(zhì)量為175t.對(duì)比塔架起重系統(tǒng)[5],而在相同的穩(wěn)定性安全系數(shù)和起重高度條件下,塔架起重系統(tǒng)的總質(zhì)量為181 t,起重載荷為14.7 kN[3],因此軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)的起重能力提高了25%.

5 結(jié)語(yǔ)

軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)是集機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)于一體的系統(tǒng),在實(shí)際應(yīng)用中必須有穩(wěn)定的液壓系統(tǒng)和良好的控制性能做保障.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,軌道系統(tǒng)的優(yōu)化和穩(wěn)定性分析尤其重要,本文運(yùn)用有限元軟件的優(yōu)化功能得出較為合理的軌道參數(shù),并分析了影響軌道系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素.軌道承重式液壓爬升系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于其軌道系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),軌道系統(tǒng)由承重軌道和輔助塔架組成,工作載荷由H形軌道傳至基礎(chǔ),塔架只是防止軌道受壓失穩(wěn),本身不受垂直載荷的作用,因此塔架較為輕巧,由算例分析可知,對(duì)比塔架起重系統(tǒng),軌道系統(tǒng)的承載能力提高了,也就是說(shuō),相同承載能力的條件下,軌道系統(tǒng)的質(zhì)量減小,節(jié)約成本.

[1]桑軍.塔式起重機(jī)內(nèi)爬式液壓頂升機(jī)構(gòu)[J].機(jī)械工程師,2008(2):149-150.SHANG Jun.Hydraulic jack-up institutions crawling in tower crane[J].Mechanical Engineer,2008(2):149-150.

[2]田豐果,寇桂岳,熊巍.基于Solid Works的車(chē)輛變截面高速軸優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2005(5):80-81.TIAN Fengguo,KOU Guanyue,XIONG Wei.Optimization design of vehicle variable cross-section high-speed axis based on solid works[J].Mechanical Engineer,2005(5):80-81.

[3]樂(lè)韻斐,郭軍,施俊俊.大型門(mén)式起重塔架的穩(wěn)定性分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(1):51-53.LE Yunfei,G UO Jun,SHI Junjun.Stability analysis of large-scale gantry framework[J].Mechanical Engineering Automation,2009(1):51-53.

[4]張秀華,王秋萍.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:北京科學(xué)院出版社,2009.ZHANG Xiuhua,WANG Qiuping.Steel structure design principle[M].Beijing:Beijing Academy of Sciences Press,2009.

[5]康國(guó)政,張娟.大型有限元程序的原理、結(jié)構(gòu)與使用[M].北京:人民郵電出版社,2007.KANG Guozheng,ZHANG Juan.T he principle,structure and usage of large finite element program[M].Beijing:Post&Telecom Press,2007.