預(yù)制構(gòu)件高效吊裝設(shè)備總體設(shè)計(jì)及有限元分析

尹奕明， 劉士明

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

發(fā)展裝配式建筑是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措， 為此政府制定一系列對應(yīng)的制度政策，要求裝配式建筑企業(yè)提高核心競爭力，完成建筑及構(gòu)件研發(fā)與生產(chǎn)的規(guī)?；?，通過核心技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，提高效率和具體落實(shí)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)施工過程機(jī)械化和現(xiàn)代化，逐步實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化和智能化[1，2]。目前，我國高層裝配式建筑主要以傳統(tǒng)的塔式起重機(jī)為主進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的吊裝作業(yè)，國內(nèi)外都采用流動(dòng)式起重機(jī)為主，對低層工業(yè)化建筑構(gòu)件吊裝施工[3]。對于采用傳統(tǒng)起重機(jī)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件吊裝的裝配式建筑， 在吊運(yùn)預(yù)制構(gòu)件就位安裝過程中存在一系列問題，包括構(gòu)件姿態(tài)難以控制、構(gòu)件安裝就位準(zhǔn)確度差等。 針對裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工中存在的問題，國內(nèi)外眾多建筑施工單位和研究人員設(shè)計(jì)開發(fā)了部分針對工業(yè)化建筑施工的智能建造系統(tǒng)[4]。自動(dòng)一體化建造系統(tǒng)，施工作業(yè)通過 “流水線” 形式完成， 例如日本研發(fā)的“ABCS”和“BIG-CANOPY”智能建造系統(tǒng)的工作平臺可附著在建筑施工平面上方的， 平臺懸掛有布料機(jī)以及構(gòu)件吊運(yùn)裝置，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的運(yùn)輸與吊裝功能[5，6]。 另外歐美部分國家已經(jīng)開展了對混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝施工所用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，機(jī)械吊臂以及施工機(jī)器人的研發(fā)[7，8]。 我國為推動(dòng)裝配式建筑構(gòu)件施工現(xiàn)場的高效吊裝安裝，在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中設(shè)立了“施工現(xiàn)場構(gòu)件高效吊裝安裝關(guān)鍵技術(shù)與裝備”專項(xiàng)。 同時(shí)，在國內(nèi)有眾多的企業(yè)對裝配式建筑工業(yè)化施工問題進(jìn)行研究。 西安建筑科技大學(xué)的王帥[9]研究了鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝自動(dòng)取放吊具的研究與設(shè)計(jì)， 采用三維設(shè)計(jì)軟件對高效吊裝設(shè)備進(jìn)行總體及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)， 并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了力學(xué)分析。

綜上所述， 本文為提高裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場的高效吊裝， 采用SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)研發(fā)了一種六自由度試驗(yàn)用高效吊裝設(shè)備， 提出基于液壓系統(tǒng)的剪叉機(jī)構(gòu)，并對剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 試驗(yàn)用構(gòu)件高效吊裝設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)

1.1 吊裝設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)

構(gòu)件高效吊裝設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 主要由行走臺車系統(tǒng)，行走小車，固定支撐架，起重承載梁，專用吊具組成，其中專用吊具與行走小車通過回轉(zhuǎn)支撐連接。在圖1 所示中的專用吊具主要用于進(jìn)行豎向構(gòu)件的吊裝，其由2 個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)的伸縮式剪叉機(jī)構(gòu)、兩個(gè)剪叉間距調(diào)整機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)支撐架等組成。 預(yù)制構(gòu)件通過起重承載梁沿固定支撐架的行走、 行走小車沿起重承載梁水平移動(dòng)和伸縮式剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3 個(gè)方向的水平移動(dòng)，由回轉(zhuǎn)支撐實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 通過分別控制剪叉機(jī)構(gòu)的伸縮量調(diào)整構(gòu)件的安裝角度， 通過調(diào)整兩個(gè)伸縮式剪叉之間的距離來實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件吊點(diǎn)的改變。因此，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用預(yù)制構(gòu)件高效吊裝設(shè)備具有六個(gè)自由度，通過操作系統(tǒng)的控制， 專用吊具將預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)桨惭b位置，并同時(shí)完成姿態(tài)調(diào)整與就位安裝，從而解決傳統(tǒng)吊裝裝置中需要人工輔助作業(yè)的問題， 提高吊裝作業(yè)的整體效率和安全性。

圖1 裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件吊裝裝置的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of the assembly-type building prefabricated member hoisting device

1.2 高效吊裝設(shè)備的工作原理

試驗(yàn)用預(yù)制構(gòu)件吊裝設(shè)采用類似雙梁門式起重機(jī)的總體布局形式，具有大車行走機(jī)構(gòu)、小車行走機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)，并在行走小車上掛有360°回轉(zhuǎn)專用吊具，其專用吊具實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件升降運(yùn)動(dòng)、 吊鉤間距調(diào)整和構(gòu)件姿態(tài)調(diào)整功能。

起升機(jī)構(gòu)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩組剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)， 滑動(dòng)機(jī)架和剪叉機(jī)構(gòu)頂部鉸點(diǎn)相連， 通過液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)為剪叉機(jī)構(gòu)的升降提供驅(qū)動(dòng)力。 兩組剪叉機(jī)構(gòu)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)， 進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件傾斜角度的姿態(tài)調(diào)整，如圖2 所示。

圖2 液壓驅(qū)動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)Fig.2 Hydraulic-driven fork mechanism

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為典型的起重機(jī)械回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)， 回轉(zhuǎn)上支座頂部與行走小車固定連接， 回轉(zhuǎn)下支座與吊具框架連接， 回轉(zhuǎn)上支座與回轉(zhuǎn)下支座之間用回轉(zhuǎn)支撐連接。 通過減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿回轉(zhuǎn)， 使吊具框架帶動(dòng)整個(gè)專用吊具繞回轉(zhuǎn)支撐軸線轉(zhuǎn)動(dòng)即實(shí)現(xiàn)構(gòu)件在水平面內(nèi)姿態(tài)調(diào)整，如圖3 所示。

圖3 起重回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)Fig.3 Lifting and rotating support structure

機(jī)構(gòu)間距的調(diào)整采用電動(dòng)推桿、 電機(jī)和機(jī)架采用對稱分布的形式， 電動(dòng)推桿和滑動(dòng)機(jī)架， 滑動(dòng)機(jī)架與剪叉機(jī)構(gòu)上端都采用固定連接的方式， 滑動(dòng)機(jī)架與吊梁上直線導(dǎo)軌采用滑動(dòng)連接的方式，如圖4 所示。

圖4 吊鉤間距調(diào)整裝置Fig.4 Hook spacing adjusting device

2 剪叉機(jī)構(gòu)有限元仿真

2.1 單元的選擇和連接結(jié)構(gòu)件處理

剪叉機(jī)構(gòu)的剪叉桿全部是方鋼制作而成， 在有限元分析中單元類型選用Beam188。 剪叉機(jī)構(gòu)中液壓油缸是二力桿構(gòu)件，選用Link180 單元進(jìn)行模擬。

在實(shí)際工作中， 剪叉桿和連接桿鉸接點(diǎn)是通過軸連接，剪叉桿鉸接點(diǎn)處可以相對轉(zhuǎn)對，在建模過程中，需要解決各部分的連接問題。本文有限元分析中，采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)來模擬各個(gè)部分的連接。CPINTF 命令可以將相同界面上節(jié)點(diǎn)位置在誤差范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)耦合，并能一次自動(dòng)耦合大量節(jié)點(diǎn)， 對于剪叉桿之間的鉸接使用CPINTF 命令來耦合將更簡便而有效。

2.2 參數(shù)化進(jìn)行有限元模型的建立

通過參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL 編寫剪叉機(jī)構(gòu)建模的命令流文件，生成剪叉機(jī)構(gòu)的有限元模型。 其中剪叉桿和連接桿材料選用鋼Q345。液壓油缸部分選取活塞桿的直徑， 其面積為1600mm2實(shí)心圓管，油缸座選用φ15×15mm 圓管，最下端的連接桿選用φ20×2.5mm 圓管。 選取滑塊兩個(gè)位置進(jìn)行分析： 最大行程550mm，最小行程260mm。整個(gè)剪叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的有效行程為975mm。 剪叉機(jī)構(gòu)中材料的彈性模量E=2.05e5MPa， 泊 松 比μ=0.3， 質(zhì) 量 密 度 取ρ=7850kg/m3。 最終的有限元模型如圖5 所示， 模型中含有節(jié)點(diǎn)346 個(gè)，單元345 個(gè)。

圖5 剪叉機(jī)構(gòu)的有限元模型Fig.5 Finite element model of shear fork mechanism

2.3 施加邊界條件

本文研究設(shè)計(jì)的剪叉機(jī)構(gòu)在工作過程中， 剪叉機(jī)構(gòu)的兩種極限位置工況分別為頂端滑塊最大行程與最小行程，在平臺額定載荷的作用下，計(jì)算剪叉機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的變形和應(yīng)力情況。 對剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，對于頂端滑塊鉸接點(diǎn)施加x、y、z 的3 個(gè)方向平動(dòng)自由度和繞x、z 的2 個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束。 考慮剪叉機(jī)構(gòu)的自重， 其重力加速度g=9.8m/s2，在最下端吊鉤連接軸施加額定載荷200kg。

2.4 分析結(jié)果

當(dāng)ANSYS 求解器完成求解后， 進(jìn)入ANSYS 后處理器，在后處理器中，可以獲取模型計(jì)算后各種結(jié)果信息。可得到兩種極限位置工況下剪叉機(jī)構(gòu)的位移和應(yīng)力云圖，位移和應(yīng)力云圖如圖6、7 所示。

圖6 滑塊最小行程剪叉機(jī)構(gòu)的變形與應(yīng)力云圖Fig.6 Deformation and stress nephogram of the minimum stroke fork mechanism of the slide block

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知， 剪叉機(jī)構(gòu)最大變形位于剪叉機(jī)構(gòu)末端， 最大變形25.7mm。 在滑塊處于最大行程550mm 時(shí)所受應(yīng)力最大值為253.19MPa， 位于液壓油缸座與剪叉桿焊接周圍， 其余部位的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力256MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 滑塊最大行程剪叉機(jī)構(gòu)的變形與應(yīng)力云圖Fig.7 Deformation and stress cloud diagram of maximum stroke shear fork mechanism of slider

3 結(jié)束語

本文基于Solidworks 和Ansys 建立了試驗(yàn)用構(gòu)件高效吊裝設(shè)備三維CAD 的模型和有限元分析模型，對其關(guān)進(jìn)部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出如下結(jié)論：

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用預(yù)制構(gòu)件吊裝設(shè)備， 能夠滿足實(shí)際豎向構(gòu)件吊運(yùn)和安裝調(diào)姿功能， 為預(yù)制構(gòu)件高效吊裝運(yùn)動(dòng)控制和仿真提供了三維樣機(jī)。

利用APDL 語言建立了剪叉機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析模型，并進(jìn)行了靜力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的剪叉機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足要求， 為為實(shí)際構(gòu)件高效吊裝設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。