新型移動配重動臂塔機平衡臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

劉士明， 桂召健， 趙 欣

（1.沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168； 2.撫順永茂建筑機械有限公司， 遼寧 撫順 113126）

0 引言

動臂塔式起重機具有起升高度大、起重量大、平衡臂短等優(yōu)點，在建筑施工中得到了廣泛的應用。 隨著動臂塔機起重量的增大，起平衡作用的配重重量隨之增大，導致塔機空載工況和最大幅度滿載工況時前后力矩差增大，從而使塔身和基礎(chǔ)受力增大。 為了改善這種情況，賈林昕等[1]提出了一種曲柄搖桿滑塊式移動配重，配重懸掛于平衡臂軌道上，吊臂通過連桿結(jié)構(gòu)與配重連在一起，當工作幅度由大變小時，配重從遠離回轉(zhuǎn)中心的一端向回轉(zhuǎn)中心方向移動。屠鳳蓮等[2]提出了平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)移動配重，配重通過搖桿繞平衡臂某定點轉(zhuǎn)動， 曲柄與吊臂固定連接，當?shù)醣鄯雀淖儠r，配重重心相對搖桿定點擺動。 王新聰?shù)萚3]提出了一種油缸變幅動臂塔機移動配重機構(gòu)，配重、平衡臂與起重臂剛性連接，配重、平衡臂、吊臂可繞吊臂與回轉(zhuǎn)平臺的鉸接點轉(zhuǎn)動，油缸來控制吊臂俯仰擺動。 上述三種結(jié)構(gòu)均利用吊臂幅度改變，通過連桿結(jié)構(gòu)改變配重的力臂，這些結(jié)構(gòu)的主要缺點在于移動配重只能平衡吊臂角度變化引起的力矩改變， 無法考慮吊重變化引起的力矩變化。秦劍等[4]提出了一種新型搖動平衡臂設(shè)計方案，該方案使平衡臂在變幅機構(gòu)的作用下繞回轉(zhuǎn)平臺上下轉(zhuǎn)動，以此改變配重的力臂，但該方案不利于塔機起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)的布置、檢修等。

隨著計算機技術(shù)的普及和有限單元法的發(fā)展， 出現(xiàn)了大量的有限元仿真軟件， 應用有限元分析軟件進行復雜結(jié)構(gòu)的仿真分析， 省時省力的同時提高了計算效率和精度。靳龍等[5]對塔機吊臂進行了靜力分析和線性屈曲分析，依據(jù)分析結(jié)果調(diào)整吊臂桿件的截面尺寸，結(jié)果表明改進后的吊臂剛度和穩(wěn)定性良好；花園等[6]對塔機整體結(jié)構(gòu)進行了多工況靜力分析， 給出了不同工況下塔機的危險部位，確定材料屬性、外部載荷、最大起重量、鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸等對起重機的影響；金玉萍[7]利用ANSYS APDL 語言建模，對塔機整體進行靜力分析，并提取相關(guān)節(jié)點應力值與實際塔機檢測結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示ANSYS 分析的結(jié)果是可靠的；姚克恒等[8]利用ANSYS 對塔機進行建模和有限元分析，以此驗證有限元分析方法的正確性，并總結(jié)了ANSYS 等效建模等關(guān)鍵技術(shù)。

綜上所述， 本文提出了一種通過鋼絲繩牽引的新型移動配重機構(gòu)，利用Solidworks 進行三維模型設(shè)計，同時對移動配重裝置中的平衡臂進行改進，并利用ANSYS 對改進前后的平衡臂進行靜力分析和模態(tài)分析。

1 平衡臂與移動配重小車設(shè)計

新型移動配重動臂塔式起重機頂部結(jié)構(gòu)的三維模型見圖1，主要包含人字架、起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、A 型架、平衡臂、移動配重小車及其牽引機構(gòu)，其中移動配重牽引機構(gòu)包含電機、卷筒、制動器、鋼絲繩以及導向滑輪等結(jié)構(gòu)，移動配重可以獨立運行。 移動配重4 裝于配重小車3 中，配重小車3 懸掛于平衡臂9下翼緣板上，并將其作為導軌進行移動。新型移動配重動臂塔式起重機的實物結(jié)構(gòu)見圖2， 目前正在寧波的某施工工地使用。

圖1 移動配重式動臂塔式起重機頂部結(jié)構(gòu)三維模型

圖2 新型移動配重裝置實物圖

新型移動配重式平衡臂采用雙焊接工字梁的形式 見 圖3， 長9.86m，寬1.75m，高0.9m，配重可移動的距離為8.28m。 移動配重小車結(jié)構(gòu)見圖4，長2.27m，寬1.0m，高2.47m，采用由方管焊接而成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。

圖3 新型移動配重式平衡臂

圖4 新型移動配重式配重小車

新型移動配重塔機的工作原理見圖5，利用傳感器檢測塔機的實際起重量，結(jié)合吊臂產(chǎn)生的力矩計算出塔機前傾力矩，控制系統(tǒng)自動計算出移動配重所在的位置，移動配重牽引電機驅(qū)動配重移動，改變塔機的后傾力矩，以此達到平衡力矩的目的。該方案的優(yōu)點在于塔機的起升、變幅機構(gòu)可以直接在平衡臂上安裝、檢修，并且移動配重可以根據(jù)起重量和工作幅度實時調(diào)整位置，力矩平衡精度更高。

圖5 移動配重裝置機構(gòu)簡圖

2 新型移動配重平衡臂有限元分析

2.1 受力分析

本文針對新型移動配重塔機的平衡臂進行有限元分析，平衡臂承受的載荷主要有移動配重及其牽引機構(gòu)的重力、變幅和起升機構(gòu)的重力、人字架后撐桿對平衡臂的拉力以及平衡臂自身的重力， 同時考慮平衡臂平面外的風載。 平衡臂主要承受的載荷大小見表1， 其受力方向見圖6。 由于人字架后撐桿的力對平衡臂作用力的方向為豎直向上，有利于改善塔機的受力，因此選擇人字架后撐桿的力最小時的工況，即最小幅度空載工況。

表1 平衡臂載荷施加

圖6 平衡臂受力簡圖

2.2 有限元模型建立

本文采用ANSYS APDL 建模的方式， 對平衡臂進行參數(shù)化建模，其中平衡臂的焊接工字梁、橫腹板、耳板以及加強板采用可以承受平面內(nèi)載荷和法向載荷的Shell 63 單元， 雙焊接工字梁之間的腹桿采用基于一階Timoshenko 梁理論的beam 188 梁單元。 Shell 63 與Beam 188設(shè)置基本參數(shù)如表2 和表3 所示。

表2 Shell 63 實常數(shù)設(shè)計值

網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分方式，采用四邊形的網(wǎng)格類型，通過對計算精度、計算時間以及網(wǎng)格質(zhì)量等權(quán)衡對比，選擇殼單元尺寸為60mm， 劃分完成后共生成16267 個單元， 節(jié)點數(shù)量16516， 根據(jù)分析軟件計算得到質(zhì)量為13773.59kg，平衡臂的有限元模型見圖7。

2.3 靜力分析

根據(jù)實際情況，對平衡臂與A 型架連接的銷軸添加邊界條件，如圖7 所示的1～4 號銷軸，釋放繞銷軸的轉(zhuǎn)動，約束其它5 個方向的自由度。移動配重及其牽引機構(gòu)、變幅及起升機構(gòu)分別在對應的節(jié)點處按圖6 所示的位置和表1 所示的數(shù)值大小和方向施加載荷；選擇平衡臂平面外方向上的所有節(jié)點，對其施加平面外風載荷； 對平衡臂施加9.8m/s2的重力加速度。

圖7 新型平衡臂有限元模型

對新型移動配重式塔機的平衡臂進行靜力分析，分析結(jié)果見圖8， 最大應力（von Mises stress） 為213.43 MPa，最大應力位置出現(xiàn)在平衡臂工字梁下翼緣板與平衡臂耳板的連接處。 圖9為平衡臂腹板結(jié)構(gòu)應力云圖，最大應力為49.52 MPa，最大應力位置出現(xiàn)在平衡臂前端腹板的邊角處。 平衡臂采用Q345B 鋼材， 厚度小于16 mm，其屈服強度為345MPa，平衡臂工字梁上下翼緣板設(shè)計厚度為32mm，其屈服極限為295MPa。

圖8 新型移動配重式動臂塔機平衡臂應力云圖

圖9 新型移動配重式動臂塔機平衡臂腹板應力云圖

安全系數(shù)γf取1.34，由式（1）計算許用應力為220.15MPa，據(jù)圖6 所示，平衡臂的最大應力小于許用應力，因此平衡臂滿足強度設(shè)計。

2.4 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用來確定結(jié)構(gòu)的某一振動特性， 可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等。 在利用ANSYS 進行模態(tài)分析時，需要考慮以下兩個假設(shè)：

（1）結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣不會發(fā)生改變。

（2）分析時如果不設(shè)置使用阻尼特征求解方法，在計算時則不考慮阻尼效應。

通過模態(tài)分析， 可在設(shè)計結(jié)構(gòu)時有效避免共振或以特定的頻率進行振動，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的損害。在本文中主要采用LANPCG（預條件共軛分塊蘭索斯法），采用迭代的方法進行求解。

在無阻尼系統(tǒng)中，考慮結(jié)構(gòu)振動方程如下：

鑒于塔機在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)平衡臂一直承受配重和各個機構(gòu)的重量， 因此在進行模態(tài)分析時選擇考慮平衡臂負載的情況， 將前面靜力分析的載荷作為預應力，對平衡臂進行預應力模態(tài)分析，提取其前6 階模態(tài)。新型移動配重動臂塔機平衡臂的前6 階模態(tài)見表4。

表4 平衡臂前6 階頻率及振型

3 改進移動配重平衡臂有限元分析

根據(jù)圖9 所示的腹板應力云圖，腹板結(jié)構(gòu)受力較小，出現(xiàn)大量的低應力區(qū)域，且材料冗余，為減小平衡臂的自重， 減小平衡臂長度方向的風載荷， 將腹板改為組合桿件， 改進前后平衡臂有限元模型的結(jié)構(gòu)對比見圖11，改進后平衡臂的質(zhì)量為13615.87kg，與原平衡臂相比較，質(zhì)量降低了1.15%，約為157.72kg。

對改進后平衡臂進行有限元分析， 其有限元模型共有節(jié)點14704 個，單元14434 個。 對平衡臂進行靜力分析和模態(tài)分析，改進后平衡臂的應力云圖如圖12 所示，最大應力為205.34MPa，小于材料許用應力220.15MPa， 應力在允許的范圍內(nèi)。 改進后平衡臂組合腹桿應力云圖如圖13所示， 最大應力為20.09MPa，最大應力位置出現(xiàn)在平衡臂前端腹桿處， 與圖10 所示的腹板應力云圖相比較，最大應力位置相同，組合桿件受力更小。

圖10 腹板式平衡臂前6 階振型圖

圖11 改進前后平衡臂有限元模型對比

圖12 改進后的平衡臂應力云圖

圖13 改進后的平衡臂腹桿應力云圖

同樣將靜力分析結(jié)果作為預應力，對改進后平衡臂進行模態(tài)分析，提取改進后平衡臂的前6 階模態(tài)見圖14， 與改進前平衡臂的固有頻率對比見表5。

圖14 改進后平衡臂前6 階模態(tài)分析振型圖

表5 改進后平衡臂前6 階頻率及振型

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型移動配重動臂塔式起重機頂部結(jié)構(gòu)，利用傳感器檢測吊重大小和工作幅度，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)了移動配重位置的改變，該移動配重實現(xiàn)方式具有非常高的精確性。 同時，設(shè)計了新型移動配重塔機的平衡臂，并進行了改進設(shè)計，對改進前后平衡臂進行了有限元仿真分析，分析結(jié)果表明：新型移動配重塔機改進前后的平衡臂結(jié)構(gòu)都滿足強度要求，其整體剛度基本沒有變化； 改進后的平衡臂與改進前平衡臂相比，質(zhì)量降低了1.15%，其前6 階固有頻率略有變化，但振型保持一致。