建筑起重機吊臂受力分析

張守權(quán)

(黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025)

0 引言

我國加入世貿(mào)組織至今，中國經(jīng)濟一直保持著快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷深化，高樓大廈相繼建成，這一系列的發(fā)展帶動了建筑起重機的快速發(fā)展，尤其是在高層建筑方面，該塔式起重機的利用率超過其他類型起重機，在建筑方面的重要性不用多說［1］。建筑起重機具有工作幅度大，起升高度高的特點［2］。目前國內(nèi)起重機做地比較好的企業(yè)有大連重工起重集團有限公司、太原重型機械集團有限公司、徐州重型機械有限公司、上海振華港機(集團)股份有限公司、衛(wèi)華集團有限公司、上海起重運輸機械廠有限公司、德馬格起重機械(上海)有限公司等，國外起重機企業(yè)主要有:韓國現(xiàn)代重工、瑞典Kockums AB、德國特雷克斯德馬格公司、德國利勃海爾等［3］、芬蘭麥基嘉集團、挪威 TTS公司、日本IHI、法國 BLM、瑞典赫格隆;德國 FUCHS FORDERTECHNIK、德國 KGW、日本 NICHIYO、日本 SKK、日本TSUJI HEAVY INDUSTRIES等。近年來從事建筑起重機研究的人員越來越多，本文只針對起重機的行走小車軌道進(jìn)行受力計算以及有限元分析。

1 工作原理

工作原理本起重機通過立柱固定在堅實的地面上，立柱是可以不斷增高的，立柱的高度根據(jù)施工對象的高度確定，在滿足工作需要的前提下，立柱要盡可能低，以提高安全、穩(wěn)定性，從而減低開支費用。該建筑起重機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

起重機作業(yè)時，駕駛?cè)藛T坐在駕駛室2內(nèi)操作起重機進(jìn)行作業(yè)，起重機可以繞立柱1實現(xiàn)整周回轉(zhuǎn)，能夠方便地實現(xiàn)重物的轉(zhuǎn)移。駕駛?cè)藛T通過操作起重機的卷揚按鈕實現(xiàn)吊鉤5的下降，地面工作人員將被吊物體捆好或者用相關(guān)的輔助裝備懸掛在吊鉤5上后，駕駛?cè)藛T操作卷揚起升，實現(xiàn)吊重物的吊起作業(yè)，吊重物起升到合適高度后，駕駛?cè)藛T目測吊重物要放置的位置，通過操作行走小車的相關(guān)按鈕，實現(xiàn)行走小車沿著吊臂3遠(yuǎn)離或者靠近立柱1，然后通過起重機吊臂回轉(zhuǎn)，到達(dá)指定位置后通過卷揚放繩，實現(xiàn)吊鉤回落，最終將重物放置到地面，完成作業(yè)任務(wù)，值得注意的是，起升速度和小車行走速度要根據(jù)吊重物的不同進(jìn)行選取，目前根據(jù)我國現(xiàn)有的技術(shù)可以設(shè)計出至少3～4種工作速度。

圖1 起重機基本結(jié)構(gòu)

2 起重機外載荷計算

外載荷計算起重機所受外載荷包括四部分:起升載荷、慣性載荷、風(fēng)載荷等，起重機作業(yè)起升時簡圖如圖2所示。起重機起升過程中卷揚收繩產(chǎn)生的拉力用T表示，鋼絲繩的剛度系數(shù)用ks表示，起升載荷用mg表示，起吊重物豎直方向的加速度用a1表示，水平方向的加速用a2表示，吊臂的剛度系數(shù)用kb表示。

圖2 起重機基本結(jié)構(gòu)

起重機起升加速階段由于慣性載荷作用起重機吊臂會發(fā)生一定的彈性變形，變形到一定程度后就會反彈，由于是彈性變形，不可能一瞬間就會恢復(fù)初始狀態(tài)而停止振動，而是經(jīng)過一定的阻尼作用，如果與鋼絲繩的振動不形成共振的前提下會慢慢停止振動，但是會有一定的彈性變形存在，因此可以將吊臂的振動和鋼絲繩的振動看做兩個彈簧串聯(lián)起來，在彈簧的末端添加載荷。除此之外由于鋼絲繩不可以看做是剛體，起重物在起升過程中吊重物會發(fā)生擺動，吊重物的擺動可用下式表示:具體起重機的數(shù)學(xué)模型可用圖3表示。

圖3 起重機數(shù)學(xué)模型

經(jīng)過上述分析，可求出吊臂和鋼絲繩的等效彈性模量ke，由剛度系數(shù)的計算公式:

可求得

由吊臂受力平衡可知:

由(3)式可求得

其中T可由彈簧的變形量求得，即

式中:x為起重機吊臂在起升載荷、慣性載荷以及吊重物擺動等載荷綜合作用下產(chǎn)生的撓曲變形和鋼絲繩產(chǎn)生的伸長量的綜合，此值可以很容易從起重機作業(yè)時現(xiàn)場取得。

3 起重機吊臂模型的建立

建立該起重機的模型是用于后續(xù)有限元分析，因此在建立時要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，把起重機吊臂的一些無關(guān)緊要的零件刪減，以減小后續(xù)有限元分析時計算機的計算量和有限元網(wǎng)格劃分的出錯率。本文采用三維造型軟件Pro/E進(jìn)行起重機的三維模型的建立。

從開始菜單啟動Pro ENGINEER，建立零件文件，設(shè)置工作目錄，然后進(jìn)入繪圖界面。本文中建立的吊臂是長16米，寬0.8米的臂架，運用Pro/E的造型特征命令拉伸、陣列、混合等命令進(jìn)行起重機吊臂的三維模型的建立。建立的吊臂的模型如圖4所示，模型建立后進(jìn)行保存，保存至之前建立的工作目錄下，便于后續(xù)方便查找。同時將文件另存為igs格式文件，以便于后續(xù)ansys workbench有限元分析。

圖4 起重機吊臂模型

4 有限元分析

4.1 有限元分析前處理

啟動ANSYS Workbench模塊，并建立ANSYS Workbench工作目錄。將起重機模型由Pro/E導(dǎo)出的IGS文件復(fù)制到ANSYSWorkbench工作目錄下。啟動ANSYS Workbench模塊，進(jìn)入靜力學(xué)分析模塊，將IGS文件導(dǎo)入。從ANSYSWorkbench材料庫內(nèi)定義模型的材料，材料，材料選用structure steel，屈服強度為490 MPa，彈性模量207GPa，泊松比0.27;各不同支撐件的接觸方式定義為bonded，網(wǎng)格劃分采用默認(rèn)精度劃分。模型將起重機一端固定，載荷可視為兩個點載荷，分別施加于吊臂的兩條行走小車的軌道上，位于行走小車軌道的最末端也就是起重吊臂工作幅度最大的位置處，載荷大小為500kg。最后選定分析項和求解器求解。

4.2 有限元分析

4.2.1 模型生成 進(jìn)入分析界面后講模型導(dǎo)入，在DM內(nèi)點擊Generate，等待幾分鐘，界面內(nèi)將出現(xiàn)導(dǎo)入進(jìn)度條，當(dāng)進(jìn)度條完成后就會生成導(dǎo)入后的模型，導(dǎo)入成功后的模型如圖5所示。

圖5 導(dǎo)入后的起重機吊臂模型

4.2.2 模型網(wǎng)格劃分 關(guān)閉DM窗口，進(jìn)入M界面。按照左側(cè)模型樹進(jìn)行分析設(shè)置。首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置如前所述，網(wǎng)格劃分后的效果如圖6所示。

圖6 起重機吊臂網(wǎng)格劃分結(jié)果

4.2.3 加載與求解將劃分完成的吊臂進(jìn)行加載求解?；谟嬎氵^程要用到有限元理論計算，計算量比較大，還會產(chǎn)生多次迭代以及迭代不收斂的情況，因此，進(jìn)行此步驟要求計算機配置相對較高，尤其是內(nèi)存需要大一些，以提高求解的速度，縮短求解時間。由于起重機工作時回轉(zhuǎn)是整個臂架連帶駕駛室及工作人員一起旋轉(zhuǎn)的，回轉(zhuǎn)中心是立柱的中心，臂架的水平方向既沒有旋轉(zhuǎn)也沒有移動的自由度。因此，分析時可以只分析起重機立柱與行走小車之間的起重機臂架部分，這樣既能滿足實際的工況又能減小有限元分析的計算量，同時還會減低分析的出錯率。起重機臂架的行走小車在沿著吊臂行走的過程中，不同的位置下，起重機吊臂的受力情況以及力矩都是不同的，由理論力學(xué)可知當(dāng)行走小車位于起重機臂架上的遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心的位置時，力矩時最大的，起重機吊臂上側(cè)受拉完彎曲載荷和下側(cè)受擠壓彎曲載荷的彎曲應(yīng)力最大，此情形也是起重機吊臂工況最危險的位置。本文中將對起重機施加500kg的起重量進(jìn)行分析，加載位置和載荷類型按之前所述加載。分析完成后查看吊臂應(yīng)力選項，吊臂應(yīng)力分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 起重機吊臂網(wǎng)格劃分結(jié)果

4.2.4 結(jié)果分析 由起重機吊臂的應(yīng)力分析結(jié)果可知，起重機吊臂架的最大應(yīng)力值為 8.7364MPa，起重機吊臂架的材料一般為Q490，屈服強度為490 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足于起重機吊臂的強度要求，最大值并非出現(xiàn)在臂架距離回轉(zhuǎn)中心立柱最近的位置，而是位于臂架的平衡繩與吊臂架連接的位置。因此，在設(shè)計此類起重機臂架時需要格外注意平衡繩與吊臂架連接處的結(jié)構(gòu)強度，適當(dāng)增加此位置的載荷均布結(jié)構(gòu)。另一方面也可以看出，同一起吊重物，當(dāng)起升加速不同時，吊臂上鋼絲繩的拉力不同，作用于起重機臂架的力就不同，起升加速度越大，鋼絲繩的拉力也就越大，起重機臂架所受載荷也就越大，應(yīng)力值也就越大，反之則越小。這就為操作起重機時要盡量平穩(wěn)，提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)論

通過對該建筑塔式起重機吊臂架的受力理論計算以及通過有限元軟件進(jìn)行了應(yīng)力方面的有限元分析，得出了起重機作業(yè)時吊臂架上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在起重機臂架的平衡繩處，并且操作起重機作業(yè)時要在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，使起重機動作盡量平穩(wěn)，以減小起升動載荷。

［1］邱洪初.一種新穎多功能建筑起重機［J］.建筑機械技術(shù)與管理，1994:23－24.

［2］叢偉，湯躍泉.建筑起重機載重滑輪組的扭轉(zhuǎn)問題分析［J］.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2001，09:21 －23.

［3］陳保鋼，王佳茜.流動式起重機的發(fā)展與展望［J］.長沙:建筑機械技術(shù)與管理，2004:53－54.