鋼筋籠液壓自動(dòng)支撐裝置研究

王德民，劉榮帥，吳紅剛，王鵬宇

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鋼筋籠液壓自動(dòng)支撐裝置研究

王德民，劉榮帥，吳紅剛，王鵬宇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

針對(duì)傳統(tǒng)鋼筋籠支撐裝置存在的工作效率低、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了新型液壓自動(dòng)支撐裝置，并詳細(xì)介紹液壓支撐的原理。通過(guò)CATIA軟件建立三維模型，然后利用有限元分析軟件Workbench對(duì)支撐裝置進(jìn)行特征值屈曲分析，采用Block Lanczos方法求出它的屈曲特征值以及特征值屈曲模態(tài)。分析結(jié)果表明，支撐裝置的強(qiáng)度滿足要求，不會(huì)發(fā)生屈曲現(xiàn)象。

支撐裝置；Workbench；特征值；屈曲分析

鋼筋籠滾焊機(jī)由于機(jī)械化程度高、加工速度快、質(zhì)量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在建筑工程中，尤其是在鉆孔灌注樁、挖孔樁、立柱等作業(yè)中發(fā)揮重要作用[1]。當(dāng)鋼筋籠焊接到一定長(zhǎng)度時(shí)，由于鋼筋籠重力作用向下產(chǎn)生彎曲變形，影響后續(xù)焊接工作的正常進(jìn)行，并且鋼筋籠焊接質(zhì)量無(wú)法滿足規(guī)范要求，必須配置鋼筋籠支撐裝置來(lái)支撐成型的鋼筋籠[2]。

傳統(tǒng)的支撐裝置由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、自動(dòng)化程度低，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代機(jī)械工程的要求。而且由于成型的鋼筋籠質(zhì)量大，在外界擾動(dòng)作用下，支撐裝置可能發(fā)生屈曲變形而失穩(wěn)，對(duì)鋼筋籠的焊接工序產(chǎn)生影響，甚至?xí)l(fā)生員工事故等危險(xiǎn)。

本文中所設(shè)計(jì)的新型鋼筋籠支撐裝置，針對(duì)主要的支撐部件進(jìn)行屈曲分析，以屈曲安全系數(shù)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性能[3]。

1 支撐裝置結(jié)構(gòu)及原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

鋼筋籠支撐裝置，俗稱“托料架”，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于液壓支撐裝置要求各部件之間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，各零件之間主要通過(guò)柔性連接（鉸接），固定部分主要采用螺栓連接和焊接方式。底座通過(guò)螺栓連接與地面上的導(dǎo)軌固定，動(dòng)力部件油缸與底架采用柔性連接，在舉升過(guò)程中油缸可繞其后軸旋轉(zhuǎn)?；钊麠U鉸接并驅(qū)動(dòng)連接板的一端，連接板另一端與擺架焊接固定在一起，擺架通過(guò)兩端固定的擺架軸鉸接在底座上，連接套外徑貫穿擺架并焊接固定，連接套內(nèi)徑有鉸接軸穿過(guò)。拉桿的一端鉸接在底座上，另一端鉸接托架組件的一端，同時(shí)托架的另一端鉸接擺架的另一端。托輥部件的底座通過(guò)螺栓連接固定在托架上。

1.油缸2.底座3.擺架軸4.擺架組件5.輥筒 6.托輥部件7.托架組件8.拉桿組件9.連接板

為了保證承載的穩(wěn)定性，裝置采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，擺架、拉桿、托架與底架組成鉸接四桿機(jī)構(gòu)，根據(jù)曲柄存在條件其屬于平行雙曲柄機(jī)構(gòu)[4]。這種機(jī)構(gòu)可使托輥部件始終保持平行移動(dòng)﹐且擺架與拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移﹑角速度和角加速度也始終相等。這樣在油缸推力作用下保證裝置勻速上升，平穩(wěn)的支撐鋼筋籠。

為了減少額外的功耗，采用滾筒支撐鋼筋籠，在滾筒內(nèi)部安裝深溝球軸承，用于承受徑向載荷，滾筒與鋼筋籠一起轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)的托料架帶有兩個(gè)相互平行導(dǎo)向板，鋼筋骨架在導(dǎo)向板上滑動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)會(huì)造成導(dǎo)向板與鋼筋骨架接觸部分磨損，在鋼筋籠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的負(fù)載。因此改滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大減小了摩擦力，長(zhǎng)期工作不會(huì)產(chǎn)生磨損，鋼筋籠旋轉(zhuǎn)時(shí)大大減輕了電機(jī)的負(fù)載。

1.2 工作原理

鋼筋籠滾焊機(jī)布局如圖2所示，包括定盤、動(dòng)盤、分料盤與托料架等。工作時(shí)鋼筋籠主筋在定盤夾緊固定，利用動(dòng)盤上的焊接裝置進(jìn)行焊接。動(dòng)盤在焊接的同時(shí)做移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)盤移動(dòng)一定位移時(shí)（一般4 m），動(dòng)盤上的傳感器檢測(cè)到導(dǎo)軌上的擋板，給控制器發(fā)送信號(hào)，控制器通過(guò)液壓閥控制油缸運(yùn)動(dòng)[5]，推動(dòng)托料架升起相應(yīng)的高度支撐成型的鋼筋籠；當(dāng)焊接結(jié)束時(shí)輸入下降命令，托料架承載著成型的鋼筋籠下降。

圖2鋼筋籠滾焊機(jī)布局圖

液壓自動(dòng)支撐裝置在接收上升信號(hào)后抬起，接觸鋼筋籠時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)支撐裝置托舉不同直徑鋼筋籠時(shí)，裝置升起不等的高度。根據(jù)力矩平衡原理[6]，鋼筋籠的重力矩與裝置的支撐力矩平衡，即輸入一定的油壓信號(hào)會(huì)使支撐裝置升起相應(yīng)的高度，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格鋼筋籠的托舉。

2 屈曲分析理論

屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，線性屈曲分析或特征值屈曲分析預(yù)測(cè)的是理想線彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度（分歧點(diǎn)）；而非理想和非線性行為阻止許多真實(shí)的結(jié)構(gòu)達(dá)到他們理論上的彈性屈曲強(qiáng)度。

結(jié)構(gòu)屈曲的臨界載荷可表示為：

式中：P為作用載荷；λ為屈曲特征或屈曲載荷因子。

特征值屈曲分析實(shí)質(zhì)即求解特征值方程：

式中：[K]為結(jié)構(gòu)總體彈性剛度矩陣，即小位移的線性剛度矩陣；[K]為結(jié)構(gòu)總體幾何剛度矩陣；{}為特征位移向量。

線性屈曲通常產(chǎn)生非保守的結(jié)果，但是線性屈曲比非線性屈曲分析計(jì)算更節(jié)省時(shí)間，并且應(yīng)當(dāng)作第一步計(jì)算來(lái)評(píng)估臨界載荷（屈曲開(kāi)始時(shí)的載荷）；線性屈曲分析可以用作決定產(chǎn)生什么樣的屈曲模型形狀的設(shè)計(jì)工具，為設(shè)計(jì)作指導(dǎo)，因此被廣泛采用[7-8]。

ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性屈曲分析的步驟為：建立模型；獲得靜力解；獲得特征值屈曲解；擴(kuò)展解并后處理。

3 結(jié)構(gòu)仿真

3.1 建立有限元模型

考慮ANSYS對(duì)大型三維建模局限性，本文利用CATIA對(duì)主要支撐部件三維建模，為保證仿真結(jié)果真實(shí)性，未對(duì)支撐部件做任何簡(jiǎn)化，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench 16.0，如圖3所示。

圖3 支撐部件有限元模型

鋼筋籠的材料選結(jié)構(gòu)鋼，楊氏模量＝2×1011，泊松比＝0.3，密度＝7.85*103kg/m3。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用Workbench中自帶的網(wǎng)格劃分工具，劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)162278、單元數(shù)28709；通過(guò)查看網(wǎng)格劃分質(zhì)量，可知網(wǎng)格劃分良好，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

3.2 特征值屈曲分析

首先對(duì)結(jié)構(gòu)三維模型加載約束與載荷：在支撐部件底端的連接板處施加固定約束，限制各個(gè)方向的位移與轉(zhuǎn)動(dòng)；在支撐部件的擺架上端施加鋼筋籠的作用載荷。鋼筋籠焊接完成后由托料架平均承擔(dān)，最大規(guī)格鋼筋籠質(zhì)量為2 t，此時(shí)鋼筋籠長(zhǎng)度為24 m。因此每臺(tái)支撐裝置承載的重量為3333 N。

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，求得其靜力解，得到支撐部件的等效應(yīng)力云圖，如圖5所示，可以看出，在鋼筋籠重力載荷作用下所受最大應(yīng)力為105.33 MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限[]＝235 MPa。然后利用Block Lanczos方法計(jì)算屈曲特征值以及特征值屈曲模態(tài)，得到結(jié)構(gòu)的第一階屈曲模態(tài)如圖6所示，前6階屈曲特征值以及對(duì)應(yīng)的臨界載荷如表1所示，可以看出第一階屈曲載荷因子為84.1，對(duì)應(yīng)的臨界屈曲載荷為280.3 kN，因此當(dāng)支撐裝置承受載荷達(dá)到此值時(shí)才會(huì)失穩(wěn)。

圖5 等效應(yīng)力云圖

圖6 第一階特征值屈曲模態(tài)

表1 前6階屈曲臨界載荷

4 結(jié)論

本文對(duì)鋼筋籠的支撐裝置進(jìn)行改進(jìn)，提出采用液壓托舉的方法和裝置，并詳細(xì)闡述了新型支撐裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理。靜力學(xué)分析與特征值屈曲分析結(jié)果表明：無(wú)論是托舉過(guò)程中還是下降過(guò)程中，支撐裝置受到的最大應(yīng)力在結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力范圍內(nèi)滿足強(qiáng)度要求，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此新型液壓支撐裝置能夠滿足對(duì)鋼筋籠的支撐。

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Research on Hydraulic Automatic Support Device of Steel Reinforcement Cage

WANG Demin，LIU Rongshuai，WU Honggang，WANG Pengyu

( College of Mechanical and Electric Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

In view of the low efficiency and automation of the traditional support device in steel cage, a new type of hydraulic automatic support device is designed, and the principle of hydraulic support is introduced in detail. The 3D model is established by CATIA, then the eigen value buckling analysis of the support device is performed by using the finite element analysis software Workbench, and calculate the buckling characteristics and the eigen value buckling mode by using Block Lanczos method. The analysis results show that the strength of the support device can meet the requirement and the buckling will not happen.

support device；Workbench；eigen value；buckling analysis

TU312

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.006

1006－0316 (2018) 03－0023－04

2017－06－21

王德民（1961－），男，遼寧西豐人，本科，副研究員、碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)控制與技術(shù)。