超大型桅桿起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析研究

劉 洋 史振璽 唐京津

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海200135)

大型桅桿起重機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)桅桿吊)在大型鋼構(gòu)件的吊裝和海上風(fēng)電的應(yīng)用中發(fā)揮著巨大作用。大型桅桿吊的吊裝噸位由原來(lái)的十幾噸發(fā)展到目前的近千噸的重量，其安全性在目前的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用。因此，對(duì)應(yīng)大型桅桿吊的強(qiáng)度和剛度研究分析越來(lái)越受到關(guān)注，強(qiáng)度和剛度的計(jì)算對(duì)于整機(jī)的安全性發(fā)揮重要作用。

本文以某港口的600 t大型桅桿吊為研究對(duì)象，該起重機(jī)坐落于某大型材料碼頭的前沿，對(duì)應(yīng)功能主要將船體的物品卸到相關(guān)的平板車(chē)或者卡車(chē)上，或者將對(duì)應(yīng)的超重物件裝載到相應(yīng)的船體或平板駁上。對(duì)應(yīng)的桅桿吊主要通過(guò)地基將上部載荷傳遞到地面上，通過(guò)桅桿吊的變幅機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的水平位置移動(dòng)，通過(guò)桅桿吊的起升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的垂直位置移動(dòng)。通過(guò)變幅機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)桅桿吊對(duì)大型貨物構(gòu)件的裝卸作業(yè)。本文利用有限元軟件建立有限元模型，處理后得到其對(duì)應(yīng)的計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變，分析對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，提出優(yōu)化措施。

1 桅桿吊模型的建立

大型桅桿吊主要由臂架、人字架、基礎(chǔ)固定裝置、起升機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等部件組成。考慮到自重的影響，對(duì)應(yīng)的臂架采用Q460B高強(qiáng)度鋼材，對(duì)應(yīng)的人字架采用Q355B低碳鋼，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)固定裝置采取Q355B材料。對(duì)應(yīng)的起升機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等相關(guān)附件均采用集中單元的型式來(lái)表達(dá)，對(duì)應(yīng)的臂架和人字架采用ANSYS里BEAM189單元，對(duì)應(yīng)的鋼絲繩采用Lin10單元，對(duì)應(yīng)的吊重貨物采用mass21單元來(lái)建立該桅桿吊模型如圖1。

圖1 600 t桅桿吊有限元模型Figure 1 Finite element model of 600 t mast crane

2 加載和約束

在吊裝過(guò)程中，桅桿吊主要是起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)兩個(gè)機(jī)構(gòu)同時(shí)作用的過(guò)程。因此對(duì)應(yīng)的人字架底端和后拉桿均采用全約束的方式，對(duì)應(yīng)的臂架主要約束垂向位置、偏擺方向的位置，其余方向的約束都放開(kāi)。

對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)和鋼絲繩的重量作用在結(jié)構(gòu)的局部，以均布載荷的型式作用在對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)上，對(duì)應(yīng)的起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)以質(zhì)量單元的型式作用在對(duì)應(yīng)位置。

在吊裝的過(guò)程中，桅桿吊主要受到自重載荷、吊裝載荷、風(fēng)載荷等相關(guān)載荷作用，對(duì)應(yīng)的載荷加載在相應(yīng)位置。

3 模型計(jì)算

通過(guò)ANSYS后處理，加載相應(yīng)的載荷，約束相應(yīng)位置的自由度。計(jì)算最大工作幅度，起重量為1.1倍的載荷情況的最大應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力云圖Figure 2 Stress nephogram

根據(jù)桅桿吊的吊裝經(jīng)歷，對(duì)應(yīng)的桅桿吊在吊裝過(guò)程中，主要計(jì)算其對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力，并與對(duì)應(yīng)材料的許用應(yīng)力相比較，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值小于許用值，滿足安全性的要求。對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力和許用壓力詳見(jiàn)表1。

表1 大型桅桿吊應(yīng)力計(jì)算值Table 1 Calculated stress values of large mast crane

依據(jù)桅桿吊的吊裝曲線，對(duì)應(yīng)吊裝過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的全幅度600 t的作業(yè)范圍，因此對(duì)應(yīng)最?lèi)毫庸r主要集中在最大幅度吊裝600 t的工況。此時(shí)，對(duì)應(yīng)臂架和人字架的受力最大，是該桅桿吊作業(yè)過(guò)程對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)工況。臂架作業(yè)的過(guò)程中，臂架與地面角度最小，對(duì)應(yīng)的垂向力最大，臂架的箱型截面主要承受軸向力、彎矩和剪力，對(duì)應(yīng)的受力分析如下：

(1)臂架的主弦桿主要承受軸向力的影響、對(duì)應(yīng)剪力和彎矩的影響，主要工況情況下，依據(jù)第三強(qiáng)度理論，最終作用在臂架截面上的應(yīng)力是最終的合成應(yīng)力，依據(jù)有限元計(jì)算理論，對(duì)應(yīng)的吊重力矩產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)臂架的影響較大。

(2)臂架的腹桿主要承受臂架吊裝過(guò)程中產(chǎn)生的剪力，另外腹桿對(duì)臂架的組成框架截面和增加剛性有著重要的作用。另外在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還需要控制對(duì)應(yīng)腹桿的長(zhǎng)細(xì)比和制造過(guò)程中的焊接變形的影響。

對(duì)應(yīng)的人字架在作業(yè)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的前部桿件主要承受吊裝過(guò)程中產(chǎn)生的壓力，對(duì)應(yīng)的后拉桿主要承受吊裝過(guò)程中產(chǎn)生的拉力。人字架承受的其他載荷主要有自重載荷、風(fēng)載荷、起升鋼絲繩產(chǎn)生拉力和變幅鋼絲繩產(chǎn)生拉力。對(duì)應(yīng)的最?lèi)毫拥墓r主要集中在最大幅度吊裝600 t時(shí)的工況，對(duì)應(yīng)的受力分下如下：

(1)人字架的前部桿件主要承受吊裝過(guò)程中產(chǎn)生的壓力，由于對(duì)桿件整體穩(wěn)定性有影響，因此需要考慮大型鋼結(jié)構(gòu)的折減系數(shù)，可以參照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于安全系數(shù)的描述，建議對(duì)于大型桅桿吊的人字架的折減系數(shù)取0.8～0.85之間，保證起重機(jī)的作業(yè)安全。

(2)人字架的后部桿件主要承受吊裝過(guò)程中產(chǎn)生的拉力，對(duì)桿件整體穩(wěn)定性沒(méi)有影響。因此在保證安全的情況，盡量將人字架拉桿的許用應(yīng)力盡可能最大化。依據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于大型桅桿吊后拉桿的結(jié)構(gòu)件，一般情況下如果采用Q355材料，建議對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算值取200 MPa左右。這樣既能保證人字架作業(yè)的安全性，又能保證其經(jīng)濟(jì)性。

4 局部模型計(jì)算

大型桅桿吊的主要結(jié)構(gòu)件是臂架和人字架，對(duì)局部模型中臂架頭部的結(jié)構(gòu)有非常重要的作用，對(duì)應(yīng)大型桅桿吊的吊裝安全有支撐作用，因此必須對(duì)其進(jìn)行局部分析，采用對(duì)稱(chēng)模型施加載荷，得到計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 臂架頭部應(yīng)力云圖Figure 3 Stress nephogram of boom head

大型桅桿吊臂架頭部一般采用箱型梁結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的滑輪座采取腹板完全貫穿的原則，保證在作業(yè)的過(guò)程，不容易脫落。由于大型桅桿吊的滑輪受力都比較大，因此在實(shí)際制造過(guò)程中，必須保證滑輪座的腹板與箱型梁上蓋板之間的焊縫質(zhì)量，通常都需要焊縫檢測(cè)。大型桅桿吊的頭部箱型結(jié)構(gòu)中，對(duì)應(yīng)的橫隔板數(shù)量較多，有些結(jié)構(gòu)人員可以進(jìn)入到其內(nèi)部，保證焊接質(zhì)量，有些箱型梁截面比較狹小，在其機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證焊接工藝和焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)。應(yīng)具體情況具體分析。

5 結(jié)論

(1)大型桅桿吊在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中，對(duì)應(yīng)臂架受力較大，在考慮其經(jīng)濟(jì)性條件下，對(duì)于臂架的材料建議選擇高強(qiáng)度鋼。既能減輕其自重應(yīng)力的影響，又節(jié)約成本。因此對(duì)應(yīng)大型桅桿起重機(jī)臂架采用高強(qiáng)度鋼。

(2)大型桅桿吊的人字架在實(shí)際使用過(guò)程中，受力明確，計(jì)算簡(jiǎn)便?？紤]目前市場(chǎng)成本，建議對(duì)人字架采用普通低碳鋼，既能節(jié)省成本，又可以保證焊縫質(zhì)量。

(3)大型桅桿吊的人字架的前部拉桿，設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮穩(wěn)定性對(duì)其影響，因此對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力相對(duì)低一些；對(duì)應(yīng)的人字架的后部拉桿，主要是拉力的影響，主要影響經(jīng)濟(jì)性，可以考慮對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力相對(duì)高一些。

(4)大型桅桿吊的頭部受力不明確，且存在局部應(yīng)力集中的情況，因此對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)需要做強(qiáng)一些，避免在使用過(guò)程中產(chǎn)生彎曲和疲勞破壞。

(5)該計(jì)算方法具有參考性，可以對(duì)其他大型桅桿起重機(jī)或門(mén)座起重機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。