基于ANSYS自動升降工作平臺的優(yōu)化設計

何勸云，李志國，鮑會麗，陳 浩，張洪寧

（1.廊坊凱博建設機械科技有限公司，河北 廊坊 065000；2.中國建筑科學研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

目前國內(nèi)建筑主體施工時主要采用外掛式工作平臺為工作人員提供作業(yè)平臺與安全防護，只能在固定高度作業(yè)，不能隨著建筑物施工高度任意升降，安拆工作量大、施工結(jié)束后建筑上預留孔洞太多，如圖1；主體施工結(jié)束后外立面裝飾裝修通常采用高處作業(yè)吊籃為作業(yè)人員提供操作平臺，效率低，安全性差，如圖2。因此有必要研發(fā)一種可替代外掛式工作平臺和高處作業(yè)吊籃的專用裝備，在建筑主體施工時給頂部施工層的人員提供安全防護、為已完工的下層建筑進行外立面裝飾裝修時提供操作平臺。

圖1 外掛式工作平臺

圖2 高處作業(yè)吊籃

1 總體方案設計

如圖3 所示，自動升降工作平臺（以下簡稱“平臺”）由導架、上級作業(yè)平臺、下級作業(yè)平臺、登機平臺、底架、小型構(gòu)件吊裝裝置（可選）、附著等部分組成，通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動上級作業(yè)平臺、下級作業(yè)平臺沿著導架上下運行，建筑物主體施工時上級作業(yè)平臺固定在最頂部，下級作業(yè)平臺供已完成主體施工的下部建筑進行外裝修作業(yè)，必要時，上級作業(yè)平臺和下級作業(yè)平臺可同時運行提高作業(yè)效率。平臺通過附著與建筑物連接在一起。

圖3 自動升降工作平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2 計算分析

此作業(yè)平臺長40m、平臺額定載重量5 000kg，其主要作用是為現(xiàn)場工作人員提供站立平臺及安全防護。此前對作業(yè)平臺布置型式與附著間距的優(yōu)化設計鮮有介紹，本文利用ANSYS對3 種布置型式進行動力響應分析、3 種附著間距的雙層作業(yè)平臺進行位移與應力分析，為平臺的合理布置提供參考。

2.1 作業(yè)平臺

作業(yè)平臺通過驅(qū)動節(jié)上的滾輪保證驅(qū)動架與導架的相對位置、通過驅(qū)動齒輪與導架上的齒條嚙合實現(xiàn)上下運動，故在滾輪處約束驅(qū)動節(jié)X、Y方向上的自由度，在驅(qū)動架齒輪處約束Z方向自由度，施加Z方向上重力加速度g，每個平臺節(jié)上施加X方向的風力載荷225kg。根據(jù)國家標準GB/T 27547-2011《升降工作平臺 導架爬升式工作平臺》并結(jié)合實際工程經(jīng)驗，在作業(yè)平臺中間施加集中載荷1 000kg、左右兩端各施加集中載荷800kg。平臺節(jié)結(jié)構(gòu)截面屬性如圖4 所示。

圖4 材料示意圖

結(jié)合工作經(jīng)驗，對兩導架間距為17 個、15個、13 個平臺節(jié)的作業(yè)平臺進行分析；根據(jù)文獻[2]的描述，對3 種平臺布置（后簡稱17 節(jié)、15 節(jié)、13 節(jié)）形式進行額定載荷下的突然啟動動力模型分析。假定起升載荷沖擊時間為0.2s，加速度0.1s內(nèi)升至2.5m/s2后再降至0。由于結(jié)構(gòu)對稱布置，設計時分析如圖5 所示的3 個截面主肢3 的最大應力與最大位移。

圖5 平臺主肢分布圖

主肢所用材料為方管□60×60×5mm，材質(zhì)為Q345-B，根據(jù)GB/T 27547-2011，n取1.5，[σ]=345/1.5=230MPa。B 點最大應力為130MPa＜[σ]，見圖6；C 點最大應力為149MPa ＜[σ]，見圖7。綜上，說明結(jié)構(gòu)安全。

圖6 B點在3種布置型式下應力圖

圖7 C點在3種布置型式下應力圖

根據(jù)GB/T 27547-2011 規(guī)定，平臺突然啟動、額定載荷運行時端部（A 點）、中間（C 點）的偏移量如表1 所示。

表1 平臺端部（A點）、中間（C點）的最大偏移量

經(jīng)分析可知：①3 種布置型式在各工況下最大偏移量均在標準允許值之內(nèi)，但與17 節(jié)相比，15 節(jié)與13 節(jié)時工況c 的最大偏移量更接近標準允許值，乘員舒適性差；②由圖6、圖7 可知不同布置型式對C 點應力影響較大，對B 點應力影響較小。

綜上所述，平臺不同布置型式會較大影響C點應力與A 點位移，工程實際應用中應綜合考慮布置型式與載荷分布，即相同工況下，兩端平臺節(jié)越多，C 點應力越小，但端部偏移越大。

2.2 附著優(yōu)化分析（雙級平臺）

根據(jù)文獻[3]可知，附著最大拉力主要與導架懸臂高度有關，限于篇幅并結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗僅分析一種工況：上級作業(yè)平臺處于最大懸臂端處，下級工作平臺位于底部。

如圖8 所示，計算模型總高度45m，上級作業(yè)平臺處于最頂端，下級作業(yè)平臺處于低端，附著間距分別為4.5m、6m、9m，懸臂高度為9m；每個平臺節(jié)上施加X方向的風載225kg，平臺中間施加集中載荷1 000kg、兩端施加集中載荷800kg。

圖8 雙級平臺模型圖

由圖9 可知，附著間距影響導架水平偏移，附著間距越小，導架水平偏移值越小。實際運行時，導架較大的偏移量會使得作業(yè)平臺產(chǎn)生振動，不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時乘員舒適性差，故設計時優(yōu)先選用4.5m 間距布置附著。

圖9 標準節(jié)高度與水平偏移量圖

針對4.5m 附著間距，每個平臺節(jié)上施加X方向的風載225kg，平臺中間施加集中載荷1 000kg、兩端施加集中載荷800kg，經(jīng)驗證如圖10 所示，附著桿最大應力為36.27MPa，證明設計安全可靠。

圖10 頂端附著受力云圖

3 結(jié)語

本文為自動升降工作平臺設計提供了技術支持，尤其對于布置方式及附著間距提供了設計參考：中間節(jié)數(shù)較多時，可增加兩端載荷，減少中間載荷；中間節(jié)數(shù)較少時，可增加中間載荷，減少端部載荷，使得結(jié)構(gòu)受力更為合理；較小的附著間距可有效抑制導軌架水平偏移，更有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，在未來的自動升降工作平臺設計中應綜合考慮以上因素，力求結(jié)構(gòu)布局合理可靠。