雙變幅桅桿起重機(jī)設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化

涂宇　王怡　譚志飛　劉愛云

摘? 要：文章介紹了應(yīng)用于高層建筑吊裝施工的雙變幅桅桿起重機(jī)的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化過程。在考慮內(nèi)陸自然環(huán)境的情況下，建立其力學(xué)計(jì)算模型、對(duì)各部件進(jìn)行選型、利用ANSYS有限元分析軟件分別模擬了優(yōu)化前后不同工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。計(jì)算結(jié)果表明，雙桅桿起重機(jī)最大應(yīng)力與應(yīng)變點(diǎn)在桅桿頂部，吊耳與鋼索連接處以及變幅桅桿和底座連接處的應(yīng)力和應(yīng)變較大，其余部分應(yīng)力和應(yīng)變很小，對(duì)應(yīng)力與應(yīng)變較大的部分進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)符合不同工況下的強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：高層建筑;雙變幅桅桿起重機(jī);設(shè)計(jì);力學(xué)計(jì)算模型;有限元分析;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH218? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0005-05

Abstract： This paper details the design and optimization of a Double luffing mast crane for high-rise building. The analysis utilizes ANSYS Finite Element Method （FEM）to predict the stress and deformation of the individual structure components. The simulation results show that the maximum stress and deformation of the crane occur on the top of the mast.Large stress and deformation exists at the junction of crane and steel cable， and also at the connection between the luffing mast and the base of the crane. After structural optimization， the structure of the crane can meet the strength requirement under different loading conditions.

Keywords： high-rise building; double luffing mast crane; design; mechanical calculation model; Finite Element Method （FEM）; optimization

1 概述

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，我國(guó)的建筑也有著高層發(fā)展的趨勢(shì)，與此同時(shí)，建設(shè)過程中的物資搬運(yùn)以及建筑房頂空調(diào)等設(shè)備運(yùn)輸難度隨之增大。因此高層建筑的吊裝成為生產(chǎn)施工中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。而由于在高層建筑施工時(shí)的場(chǎng)地、交通等因素的限制，桅桿起重機(jī)是最常用的吊裝工具。

桅桿式起重機(jī)在我國(guó)應(yīng)用廣泛，作為我國(guó)傳統(tǒng)吊裝設(shè)備有著特有的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在著耗能高以及笨重的缺點(diǎn)[1-2]。同時(shí)我國(guó)桅桿式起重機(jī)并沒有一套完善的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此運(yùn)用于工程中的設(shè)備存在著設(shè)計(jì)的不合理性[3]。從而，有限元分析軟件運(yùn)用于桅桿式起重機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)重要方式。例如肖浩等人利用有限元分析軟件掌握了起重機(jī)回轉(zhuǎn)過程中某些部件的受力變化，進(jìn)一步優(yōu)化了起重機(jī)結(jié)構(gòu)[4]。

為此，本文以運(yùn)用于高層建筑吊裝施工的雙變幅桅桿起重機(jī)為研究對(duì)象，以設(shè)備安全性為首要目標(biāo)，同時(shí)力求節(jié)省工程材料做到輕量化，對(duì)雙變幅桅桿起重機(jī)進(jìn)行計(jì)算、設(shè)計(jì)、優(yōu)化并利用Ansys分析軟件對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行計(jì)算分析，得到安全可靠合理的材料選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為此類起重設(shè)備的設(shè)計(jì)提供一定的參考[5-10]。

2 系統(tǒng)組成

雙變幅桅桿由兩個(gè)反向的平行“三角拔桿”組成，分別為固定桅桿和變幅桅桿。固定桅桿利用樓層結(jié)構(gòu)梁對(duì)其上下進(jìn)行固定，通過“吊點(diǎn)牽引繩”變幅桅桿傳遞的水平拉力，提高固定桅桿的穩(wěn)定性。變幅桅桿通過“橫向纜風(fēng)繩”和“跨接鋼絲繩”防止變幅桅桿左右擺動(dòng)。通過與樓面的“變幅鉸接點(diǎn)”，現(xiàn)變幅桅桿可在交接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)“變幅調(diào)節(jié)葫蘆”對(duì)“變幅桅桿”進(jìn)行變幅。如圖1所示：

雙變幅桅桿吊裝機(jī)主要由承重桅桿、變幅桅桿、吊裝扁擔(dān)、滑輪組、導(dǎo)向滑輪、起重卷?yè)P(yáng)機(jī)等組成。

2.1 工況分析

根據(jù)工程實(shí)際要求擬定雙變幅桅桿起重機(jī)主要參數(shù)如表1：

本文雙變幅桅桿起重機(jī)工作環(huán)境以我國(guó)湘潭市為例：

（1）工作環(huán)境溫度為-20℃～+40℃;

（2）起重機(jī)在內(nèi)陸地區(qū)的工作風(fēng)壓不大于150Pa，非工作狀態(tài)最大風(fēng)壓為600Pa，湘潭歷史最大風(fēng)力為6級(jí)，可知，風(fēng)壓為125Pa，10分鐘平均風(fēng)速Vp為11m/s;

（3）無(wú)易燃和/或易爆氣體，粉塵等非危險(xiǎn)場(chǎng)所;

（4）地震烈度：7級(jí)。

以上自然條件中，所知風(fēng)壓決定桅桿計(jì)算中分載的大小，影響桅桿的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)予以考慮。從風(fēng)況、溫度及地震烈度數(shù)據(jù)來看，對(duì)桅桿的設(shè)計(jì)影響不大，本設(shè)計(jì)忽略不計(jì)。

2.2 力學(xué)模型及外載荷計(jì)算

本文所述的外載荷為所有施加在起重機(jī)上的外力作用，包括重力、風(fēng)力、吊裝過程磕碰等帶來的載荷。考慮到雙變幅桅桿起重機(jī)的工作環(huán)境與工作特點(diǎn)，在本次計(jì)算中只考慮風(fēng)力、動(dòng)力以及起升所帶來的載荷。雙變幅桅桿示意圖如圖2所示：

由圖2忽略次要載荷得到起重機(jī)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖3所示。

圖3中Pmax為起重機(jī)所能起吊的最大額定載荷，F(xiàn)1為變幅機(jī)構(gòu)所提供的牽引力，Pw為風(fēng)力帶來的載荷，方向?yàn)閭?cè)面。

起重機(jī)外載荷中起升載荷是指被起吊重物的質(zhì)量，包括最大有效物品、取物所用機(jī)構(gòu)、鋼絲繩起吊裝置以及一些輔助裝置的質(zhì)量。此起重機(jī)的起升載荷可以表示為：取物裝置重量，吊裝扁擔(dān)，兩組靜牽引滑輪組，兩組動(dòng)滑輪組。根據(jù)市面上常用配件進(jìn)行選型計(jì)算載荷：

式（1）中：mQ為額定起重量的最大值;mZ為取物所用機(jī)構(gòu)的最大值;m為取物過程輔助裝置的重量;mS為吊裝高度所用鋼絲繩重量;g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

考慮到雙變幅桅桿起重機(jī)的工作環(huán)境常在于露天狀態(tài)，所以必須考慮自然風(fēng)所帶來的載荷。在常規(guī)的起重機(jī)計(jì)算過程中，忽略風(fēng)載荷的動(dòng)力效應(yīng)。并且在計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)，把不同方向吹過來的風(fēng)考慮為對(duì)起重機(jī)影響最不利的方向，數(shù)值為最高且是常值。風(fēng)對(duì)受風(fēng)物體產(chǎn)生的風(fēng)壓主要與風(fēng)速有關(guān)，可按下式計(jì)算：

計(jì)算風(fēng)壓的數(shù)值取空曠地區(qū)離地面高度10m處的風(fēng)速來求。本次計(jì)算中工作狀態(tài)的設(shè)計(jì)風(fēng)速按即瞬時(shí)風(fēng)速考慮，數(shù)值以內(nèi)陸地區(qū)為參考計(jì)算風(fēng)速和計(jì)算風(fēng)壓分別取16m/s、150N/m2， 重機(jī)吊運(yùn)物品迎風(fēng)面積的估算值取18m2。因此，作用在起重機(jī)和重物迎風(fēng)面上的風(fēng)載荷為：

PW=1.2AQP=1.2×18×150=3240N，由于起重機(jī)主桅桿安裝于室內(nèi)，變幅桅桿主體也在室內(nèi)，故忽略風(fēng)載荷對(duì)起重機(jī)的作用。

由于雙變幅桅桿起重機(jī)中的變幅桅桿采用了鉸鏈連接，只有繞一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，將雙變幅桅桿起重機(jī)的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4中集中載荷PQ=153574.82N為起升載荷的一半。

3 強(qiáng)度校驗(yàn)

雙變幅桅桿起重機(jī)的有限元計(jì)算由ANSYS完成。根據(jù)前文所規(guī)定的載荷情況及載荷組合相符合，載荷的作用位置、作用方向以及起重機(jī)的自身狀況（各部分相對(duì)位置、運(yùn)動(dòng)組合等），采用ANSYS14.0 Workbench對(duì)垂直運(yùn)輸?shù)奈U進(jìn)行有限元分析，材料選擇為鋼結(jié)構(gòu)（Structural Steel），其彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算?？紤]到優(yōu)化前設(shè)計(jì)的不合理性，初選25T重物吊裝高度為50m，桅桿產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。

由圖5可知，最大桅桿的應(yīng)力為3.24×109Pa。由于雙變幅桅桿起重機(jī)吊裝30T重物，所以本文選用高強(qiáng)度鋼材。查閱《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T1591-2008）》，Q345鋼的屈服極限σs為345N/mm2，抗拉強(qiáng)度σb為470-630N/mm2，根據(jù)載荷條件，選擇的安全系數(shù)ns為1.18。Q345鋼的基本許用應(yīng)力，其值[σ]為233.11MPa，不符合強(qiáng)度要求。

4 應(yīng)力和應(yīng)變分析

鑒于上文強(qiáng)度校驗(yàn)不合格原因在于機(jī)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變較為集中的點(diǎn)，故改用吊裝10T重物進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，雙變幅桅桿起重機(jī)的桅桿最大應(yīng)力和位移點(diǎn)在桅桿頂部，吊耳與鋼索連接處的應(yīng)力和位移較大，變幅桅桿和底座連接處的應(yīng)力和位移較大，其余部分應(yīng)力和位移值很小。

5 優(yōu)化及分析

基于上述雙變幅桅桿起重機(jī)有限元分析結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

（1）增厚桅桿吊耳20 mm;

（2）改用更高強(qiáng)度鋼Q420;

（3）連接底座旋轉(zhuǎn)塊由一個(gè)增加為3個(gè);

（4）連接底座旋轉(zhuǎn)塊增厚10 mm;

（5）底座變幅桅桿固定錨板增厚10 mm。

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，對(duì)其吊裝25 T重物吊裝高度為300m時(shí)進(jìn)行有限元分析，桅桿產(chǎn)生的應(yīng)力如圖7所示：

由吊裝25 T的桅桿應(yīng)力云圖可知，優(yōu)化前出現(xiàn)的應(yīng)力，應(yīng)變集中現(xiàn)象得到明顯改善，最大桅桿的應(yīng)力為3.25×108Pa，以知Q420鋼的屈服極限σs為420N/mm2，抗拉強(qiáng)度σb為520-680N/mm2，根據(jù)載荷條件，選擇的安全系數(shù)ns為1.18，則[σ]為355.93 MPa（3.56×108Pa），所以符合強(qiáng)度要求。由此可見優(yōu)化對(duì)起重機(jī)安全性有較大提升，滿足了生產(chǎn)要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)是合理的。

6 結(jié)論

（1）雙變幅桅桿起重機(jī)最大應(yīng)力、應(yīng)變點(diǎn)在桅桿頂部，分別為桅桿直徑和壁厚小應(yīng)力、應(yīng)變處的9倍與10倍。

（2）雙變幅桅桿起重機(jī)變幅桅桿和底座連接處以及吊耳與鋼索連接點(diǎn)應(yīng)力較大，數(shù)值約為小應(yīng)變處10倍，是設(shè)計(jì)、優(yōu)化過程考慮重點(diǎn)。

（3）通過增加應(yīng)力、應(yīng)變較大處工件厚度和旋轉(zhuǎn)塊的厚度，使雙變幅桅桿起重機(jī)在吊裝25 T重物吊裝高度為300m工況下最大桅桿應(yīng)力3.25×108 Pa<[σ]=355.93MPa，提供了一種雙變幅桅桿起重機(jī)優(yōu)化方式。

（4） 本文設(shè)計(jì)過程是一種從理論到模型到分析再到優(yōu)化分析的過程，是一種明了有效的設(shè)計(jì)過程，為以后起重機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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