2 000 t港口固定式桅桿起重機臂架結構研究

吳榮土 趙金鵬 李鵬舉 梁 昊

山東豐匯設備技術有限公司

1 引言

隨著港口設備業(yè)務的不斷拓展，重件碼頭1 000 t以上的大件裝卸作業(yè)持續(xù)增加，千噸級港口固定式桅桿起重機陸續(xù)出現(xiàn)。為滿足超大、超重構件的吊裝作業(yè)，桅桿起重機的工作幅度和起升高度都在50 m以上，因此桅桿起重機的臂架為超長結構，為提高其整體穩(wěn)定性，一般采用A型雙臂結構[1](見圖1、圖2)。

圖1 桅桿起重機簡圖

圖2 雙主臂結構簡圖

2 臂架結構類型

桅桿起重機的臂架由主臂和副臂組成，主臂一般采用A型三角布置的雙臂結構，根據構造類型不同分為格構式臂架和實腹式臂架(見圖3、圖4)。在臂架頭部和根部分別設置橫梁，同時在2個單臂之間設置1組或多組連梁，以提高單臂的側向(以下稱為回轉平面)穩(wěn)定性[2]。

1.根部橫梁 2.單臂 3.連梁 4.頭部橫梁

圖4 實腹式主臂簡圖

3 臂架計算工況

桅桿起重機設置有主鉤和副鉤，其中主鉤又有最大額定起重量和第二額定起重量之分，需要對臂架各種工況進行計算和分析。以2 000 t桅桿起重機臂架為例，主鉤工況最大工作幅度50 m，主臂長度70 m，臂架計算工況見表1。

表1 臂架計算工況

4 臂架受力分析

A型三角雙臂臂架在變幅平面為兩端簡支結構，在回轉平面為懸臂結構。單臂和弦桿在2個平面為兩端簡支結構。在變幅平面，相對整體雙臂，其單臂的計算長度更長，軸壓力更大，單臂先于整體雙臂失穩(wěn)，因此僅校核單臂的整體穩(wěn)定性即可；在回轉平面，雙臂中2個單臂間距較大，雙臂不會先于單臂失穩(wěn)，因此僅校核單臂的整體穩(wěn)定性即可[3-5]。

變幅平面臂架的受力圖和內力圖見圖5，變幅平面的單臂計算中，根據規(guī)范將單臂自重分為兩部分，一部分按線性載荷均布加載到單臂中，使單臂產生彎矩；另一部分以集中力的形式加載到單臂兩端，使單臂產生軸力[6]。

圖5 變幅平面臂架的受力圖和內力圖

桅桿起重機設置的副臂，使整體臂架形成折臂結構。計算中，應考慮副臂和副鉤定滑輪組等附屬結構對主臂的影響，將副臂的載荷轉化到單臂上，變幅平面副臂對單臂產生的彎矩與單臂自重產生的彎矩方向相反，因此副臂對單臂起減載作用。

變幅平面內，由于吊物豎直力軸線與變幅拉板變幅力軸線的鉸點可能不在主臂形心軸線上，會對主臂產生附加彎矩。該附加彎矩從主臂頭部到主臂根部逐漸減小為零，并且隨主臂仰角的變化而變化，這里不計此附加彎矩作用[7]。實際設計中，在最大額定重量對應的最大幅度工況(即最危險工況)，可將該鉸點設置在主臂形心軸線上。當臂架處于最大仰角時(即最大額定起重量對應的最小幅度工況)，該鉸點就位于主臂形心軸線的下方，與副臂產生的彎矩方向相同。該工況下臂架的危險截面在主臂的頭部位置(見圖6)。

1.變幅力軸線 2.主臂形心軸線 3.合力鉸點到主臂根部鉸點軸線 4.吊物豎直力軸線

臂架承受的風載荷一般加載在回轉平面，這里忽略不計。回轉平面內，在起升繩水平側向偏擺力的作用下，連梁位置的單臂及其弦桿承受較大的端彎矩作用，弦桿并非兩端簡支受力結構[8]。如圖7所示，在起升繩水平側向偏擺力F的作用下，兩側單臂產生軸力，距離臂架根部越近軸力越大；同時在連梁位置，單臂和連梁的內部產生局部附加彎矩作用。

圖7 回轉平面臂架的受力圖和內力圖

變幅平面，在彎矩作用下，臂架危險截面在單臂頭部或單臂中部附近[9]?；剞D平面，在側向偏擺力和風載荷作用下，臂架危險截面在連梁位置或主臂底段附近。

5 臂架對比分析

5.1 臂架形式與參數

圓管格構式單臂和板梁實腹式單臂截面簡圖見圖8，主起升定滑輪到主臂軸線距離和變幅拉板鉸點到主臂軸線距離相等，取1.5 m。單臂截面尺寸見表2。

圖8 單臂截面簡圖

表2 單臂截面尺寸

5.2 臂架彎矩計算

以實腹式主臂為例，最大額定起重量對應的最大幅度工況和最小幅度工況下，變幅平面主臂各危險截面的彎矩組成(見表3)。

表3 變幅平面主臂各危險截面彎矩的組成

由表3可知，變幅平面內，最小幅度工況下，偏心附加彎矩對主臂的彎矩影響較大，且最大彎矩發(fā)生在主臂頭部。

5.3 臂架穩(wěn)定性計算

選取臂架中部截面為危險截面，對其單臂的整體穩(wěn)定性進行計算和分析(見表4)。根據計算，軸力產生的穩(wěn)定應力最大，約占60%，變幅平面彎矩產生的穩(wěn)定應力約占25%。由于圓管格構式單臂的自重較輕，變幅平面自重彎矩產生的穩(wěn)定應力占比相對較小，軸力產生的穩(wěn)定應力占比相對較大。

表4 內力產生的穩(wěn)定應力占比情況

5.4 對比分析結果

格構式圓管結構臂架自重較小，圓管節(jié)點容易疲勞，但迎風面積小，抗風能力強；實腹式板梁結構臂架易于實現(xiàn)自動化焊接，抗疲勞性能相對較好，但臂架自重較大，兩種臂架的異同見表5。

表5 臂架的異同

6 結語

介紹了2 000 t港口固定式桅桿起重機臂架的結構類型和構造特點，針對常用的俯仰式臂架，給出A型雙臂臂架結構的受力特點；介紹了A型雙臂臂架的設計計算方法和流程，闡述格構式圓管結構和實腹式板梁結構的設計差異，兩者各有其特點，應根據實際情況選取臂架類型；變幅平面在彎矩作用下，臂架危險截面發(fā)生在單臂頭部或中部附近；回轉平面在側向偏擺力和風載荷作用下，臂架危險截面發(fā)生在連梁位置和主臂底段附近，同時分析受壓和受彎情況，給出各載荷對臂架整體穩(wěn)定應力的影響。