剛性變幅船用起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

鄒士勇

(中國(guó)船級(jí)社江蘇分社，江蘇 南京 210011)

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剛性變幅船用起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

鄒士勇

(中國(guó)船級(jí)社江蘇分社，江蘇 南京 210011)

通過(guò)對(duì)中國(guó)船級(jí)社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》中對(duì)剛性變幅的船用臂架起重機(jī)計(jì)算要求進(jìn)行分析和整理，結(jié)合起重機(jī)械方面專業(yè)書籍對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，給出了比較適合這類船用起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，其中包括對(duì)該類型的起重機(jī)的單梁箱形變截面等強(qiáng)度臂架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形擾度的計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果要求：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)小于所用材料許用應(yīng)力，變形擾度應(yīng)滿足Y方向變形[Σy] ≤1/40和X方向變形[Σx] ≤1/100的要求。通過(guò)對(duì)船上剛性變幅船用起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)用，該類起重機(jī)在實(shí)際各種工況下使用中無(wú)結(jié)構(gòu)損壞和變形，證實(shí)了該計(jì)算方法完全符合剛性變幅船用起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)安全要求。

起重機(jī)；剛性變幅；長(zhǎng)細(xì)比；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；剛度計(jì)算

0　引言

船用起重機(jī)主要用于起貨和起吊雜物。起貨用起重機(jī)一般承載力較大且使用較為頻繁，雜物用起重機(jī)通常噸位較小且使用頻次少。目前貨物起重機(jī)的主要形式為鋼絲繩變幅型臂架起重機(jī)，雜物起重機(jī)的主要形式為油缸變幅型臂架起重機(jī)、軌道平移式起重機(jī)，其中油缸變幅型臂架起重機(jī)又稱剛性變幅船用起重機(jī)。

剛性變幅船用起重機(jī)在許多船舶上得到應(yīng)用，主要作為服務(wù)用起重機(jī)、備件備品起重機(jī)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度比較高，吊機(jī)重心較低，重量較輕，運(yùn)動(dòng)部件少，易于安裝，但其結(jié)構(gòu)中有很大一部分是單梁箱形變截面等強(qiáng)度臂架。由于端部沒(méi)有變幅繩的張力的約束，臂架要承載較大的彎矩，容易引起安全隱患，甚至造成人員傷亡、貨物損失及船舶設(shè)備損壞，因此應(yīng)對(duì)此類結(jié)構(gòu)形式的臂架進(jìn)行分析，確保其使用安全。

1　臂架結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1臂架結(jié)構(gòu)形式

剛性變幅(主要是通過(guò)油缸變幅)的臂架結(jié)構(gòu)主要由底座、回轉(zhuǎn)支承、塔身、變幅油缸、起升機(jī)構(gòu)、吊臂、鋼絲繩、吊鉤等組成，其結(jié)構(gòu)形式示意圖如圖1所示。

1.底座　2.回轉(zhuǎn)支承　3.塔身　4.變幅油缸　5.起升機(jī)構(gòu)　6.吊臂　7.鋼絲繩　8.吊鉤

1.2臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)該起重機(jī)的受力特點(diǎn)，該類船用起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)一般為變截面箱形結(jié)構(gòu)形式，其臂架折算慣性矩計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。由于結(jié)構(gòu)剛度較高，為了減輕臂架自重載荷，盡量做到等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從油缸支承點(diǎn)到臂架端部截面尺寸不斷減少，適合根據(jù)其懸臂受力彎矩不斷減少的受力要求。

I1～I(xiàn)7,I11～I(xiàn)14：截面的實(shí)際慣性矩　A：臂架頭部吊重物端　B：油缸支撐　C：臂架尾部塔身連接處　L：臂架長(zhǎng)度　L1：臂架前段長(zhǎng)度　L2：臂架后段長(zhǎng)度　F：臂架頂端外力

該類船用起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)形式和受力方式具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)支承形式：2點(diǎn)鉸支并外伸懸臂結(jié)構(gòu)形式。

(2)結(jié)構(gòu)形式：雙向不對(duì)稱變截面箱形焊接結(jié)構(gòu)。

(3)受力形式：以彎曲為主，兼有少量的軸向壓力，隨著臂架仰角變化，彎矩變小，而軸向壓力增大。

2　臂架計(jì)算方法

2.1規(guī)范計(jì)算方法

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》第3章第2節(jié)，剛性變幅船用起重機(jī)屬于普通起重機(jī)中起貨設(shè)備范疇，因而其臂架適用于第3.2.17條款：同時(shí)承受壓力和彎曲的構(gòu)件，應(yīng)力衡準(zhǔn)應(yīng)按式(1)校核穩(wěn)定性：

σm/σs+σc/σcr≤1/n

(1)

式中：σm為構(gòu)件承受的彎曲應(yīng)力，MPa；σc為構(gòu)件承受的壓應(yīng)力，MPa；σs為鋼材屈服強(qiáng)度，MPa；σcr為構(gòu)件的臨界壓應(yīng)力，MPa。

σcr由構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比λ和截面形狀決定，但是對(duì)于這種臂架結(jié)構(gòu)和受力形式，《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》沒(méi)有其長(zhǎng)細(xì)比的計(jì)算方法，因而也就無(wú)法查取σcr數(shù)值。

事實(shí)上，《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》等相關(guān)文獻(xiàn)中涉及結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容中都沒(méi)有給出這種臂架結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)比λ計(jì)算方法。

《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的長(zhǎng)細(xì)比λ計(jì)算的結(jié)構(gòu)形式主要是以下幾種情形，計(jì)算時(shí)必須滿足其中的條件之一：

(1)軸心受壓構(gòu)件(偏心受壓構(gòu)件都不適用)。

(2)兩端絞支或者是一端固定支撐一端懸臂。

(3)構(gòu)件的回轉(zhuǎn)半徑不變，或者截面積不變(截面積變化也是沿軸線長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ變化)。

《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》第3.2.18.1條校核起重機(jī)臂架整體穩(wěn)定性時(shí)，需校核在臂架變幅和回轉(zhuǎn)平面2個(gè)方向的穩(wěn)定性的要求，只是針對(duì)由鋼索支持的常規(guī)形式臂架。

而本文所討論的是非常規(guī)形式臂架—2點(diǎn)鉸支、懸臂外伸結(jié)構(gòu)臂架形式，不滿足《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的3個(gè)條件中任何1個(gè)條件，也不能簡(jiǎn)單地運(yùn)用式(1)校核其穩(wěn)定性和依照《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》第3.2.18.1條要求對(duì)該類型起重機(jī)臂架校核在變幅和回轉(zhuǎn)平面2個(gè)方向的整體穩(wěn)定性。

2.2實(shí)際情況計(jì)算方法的應(yīng)用

對(duì)于剛性變幅船用起重機(jī)一般是按下面的方法進(jìn)行計(jì)算臂架整體和局部強(qiáng)度以及通過(guò)臂架結(jié)構(gòu)的靜剛性計(jì)算來(lái)校核起重機(jī)的穩(wěn)定性的。

2.2.1按2點(diǎn)鉸支并外伸懸臂梁分析應(yīng)力

在最大工作幅度(臂架水平)起升安全工作負(fù)荷時(shí)，剛性變幅起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)承受最大傾覆力矩，此時(shí)臂架處于最危險(xiǎn)工況。按式(2)計(jì)算出的實(shí)際屈服應(yīng)力σcs應(yīng)在鋼材的基本許用應(yīng)力[σ]范圍內(nèi)，鋼材的基本許用應(yīng)力[σ]按《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》第3.2.16條要求計(jì)算。

σcs=((σm+σc)2+3τ)1/2≤[σ]

(2)

式中：τ為剪切應(yīng)力, MPa；[σ]為鋼材的基本許用應(yīng)力，MPa。

同時(shí)求出此工作條件下與塔身連接支座處的最大支持反力PCy、PCz和求出臂架在最大幅度時(shí)油缸的推力Fy、Fz。臂架受力分析圖如圖3所示。

A：臂架頭部吊重物端　B：油缸上支撐　C：臂架尾部塔身連接處　D：油缸下支撐　SWL：工作負(fù)載　Gb：吊臂重量　Gh：吊具重量　Gc：油缸重量　b：油缸中心距　Lb：臂架重心　Lj：吊臂總長(zhǎng)　a：水平軸距　n：垂直軸距　α、β：夾角　Fz、Fy：油缸支撐B處支持反力　PCy、PCz：塔身連接處支座C處的最大支持反力

對(duì)A支點(diǎn)取矩為零：∑MA=0

ψhLj(SWL+Gh)+LbGb+bGc-aFycosθ-

nFzcosθ=0

式中：θ為吊臂變幅角度；ψh為動(dòng)載系數(shù)。

Fy/Fz=tan(β-α)，求出Fz，F(xiàn)y。

對(duì)B支點(diǎn)取矩為零：∑MB=0

ψh(Lj-a)(SWL+Gh)+(Lb-a)Gb-

(a-b)Gc-aPCycosθ+nPCzcosθ=0

Fz=PCz，求出PCy。

油缸支撐B處受力分析如圖4所示。根據(jù)圖4得出：M=FyLk+Fzh，通過(guò)σm=M/WB、σc=F′/A、τ=Fy/A′求出截面的σm、σc和τ，再用式(2)對(duì)臨近支座處的臂架危險(xiǎn)截面B進(jìn)行強(qiáng)度校核。其中：M為彎矩，N·m；WB為B點(diǎn)處的截面模數(shù)，mm3；h為臂架B點(diǎn)處的截面中心高，mm；Lk為臂架B、C兩點(diǎn)間距離,mm；F′為貨物對(duì)臂架壓力，N；A′為臂架B處截面積，mm2。

需要說(shuō)明的是，由于塔身結(jié)構(gòu)不同，油缸最大推力出現(xiàn)在臂架仰角的角度也不同，通常油缸最大推力出現(xiàn)在臂架仰角15°左右處，此時(shí)油缸最大推力比臂架水平工作時(shí)推力雖然增大了一些，但對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算影響不大。為簡(jiǎn)便計(jì)算，仍然取水平狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

B：油缸支撐處　C：塔身連接處

2.2.2臂架在變幅平面和回轉(zhuǎn)平面的靜剛度

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中相關(guān)要求，為防止臂架端部變形過(guò)大而影響起重機(jī)正常工作，應(yīng)對(duì)臂架端部的位移進(jìn)行限制，可參照伸縮臂起重機(jī)吊臂變形的相關(guān)要求：臂架頂端在變幅平面內(nèi)的移位Σy應(yīng)不大于臂架實(shí)際長(zhǎng)度的1/30～1/50，?。?/p>

[Σy] ≤1/40

(3)

同時(shí)臂架端部在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)加載5%額定工作負(fù)荷時(shí)，其頂端側(cè)向位移不大于臂架總長(zhǎng)度L的1/100?？紤]到船舶傾斜、風(fēng)力及起升繩偏擺等因素，計(jì)算船用起重機(jī)臂架靜剛度時(shí)在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)以加載10%的額定工作負(fù)荷計(jì)算其水平位移，?。?/p>

[Σx] ≤1/100

(4)

對(duì)于這種2點(diǎn)鉸支、懸臂外伸結(jié)構(gòu)臂架形式《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第2篇第7章第3節(jié)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提供了以下計(jì)算位移近似方法：

1/I″c= 16/(1/I7+4/I6+9/I5+16/I4)

2.2.3臂架結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性

箱形臂架結(jié)構(gòu)受壓翼板通過(guò)控制其寬厚比來(lái)保

證局部穩(wěn)定性。當(dāng)翼板寬度較大時(shí)用設(shè)置縱向加勁肋來(lái)減小寬厚比，油缸支撐B處截面積圖(受壓翼緣板)如圖5所示。其寬厚比根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第2篇第1章第5節(jié)受彎構(gòu)件來(lái)計(jì)算。

(1)受壓翼緣板外伸部分的寬厚比：

b/t≤15 (235/σs)1/2

(5)

(2)箱形板在腹板之間受壓翼板的寬厚比：

b0/t≤60 (235/σs)1/2

(6)

t：下板厚度　b、b0：板寬

當(dāng)翼板寬度較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置1道或多道勁肋，劃分出來(lái)的區(qū)格寬度b0同樣應(yīng)滿足式(6)的要求。滿足上述條件且翼板中計(jì)算應(yīng)力不大于0.8[σ]可以不必驗(yàn)算其受壓翼緣板的局部穩(wěn)定性。通常第(1)條件都很容易滿足，設(shè)計(jì)中要注意的是第(2)條件若不能滿足，需在臂架底板上都要加上縱向勁肋以減小寬厚比。

3　結(jié)語(yǔ)

本文討論的油缸變幅的船用起重機(jī)根據(jù)起重能力的不同，有的是單個(gè)變幅油缸，有的因起重機(jī)較大配有2個(gè)變幅油缸。對(duì)于后者來(lái)說(shuō)臂架結(jié)構(gòu)較寬，結(jié)構(gòu)剛度較好，但翼緣板較寬，需注意板的局部穩(wěn)定性。對(duì)于單個(gè)油缸變幅的臂架相對(duì)較窄，尤其是懸臂比較長(zhǎng)的臂架不但要校核強(qiáng)度，也要校核其結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度，才能確保起重機(jī)的使用安全。

例如某5 000 t半潛駁上的5 t 29 m液壓雜物吊屬于剛性變幅船用起重機(jī)。通過(guò)上述方法計(jì)算，其臂架強(qiáng)度符合要求。該起重機(jī)在實(shí)際各種工況下使用中無(wú)結(jié)構(gòu)損壞和變形，更證實(shí)了該計(jì)算方法是完全符合剛性變幅船用起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)安全要求。

[1]張質(zhì)文，鄒勝，王金諾，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社， 2013.

[2]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T 3811—2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2008.

[2]中國(guó)船檢級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2008.

2016-01-29

鄒士勇(1977—)，男，工程師，從事船舶審圖工作。

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