張守權(quán)

(黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025)

0 引言

我國加入世貿(mào)組織至今，中國經(jīng)濟(jì)一直保持著快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷深化，高樓大廈相繼建成，這一系列的發(fā)展帶動(dòng)了建筑起重機(jī)的快速發(fā)展，尤其是在高層建筑方面，該塔式起重機(jī)的利用率超過其他類型起重機(jī)，在建筑方面的重要性不用多說［1］。建筑起重機(jī)具有工作幅度大，起升高度高的特點(diǎn)［2］。目前國內(nèi)起重機(jī)做地比較好的企業(yè)有大連重工起重集團(tuán)有限公司、太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司、徐州重型機(jī)械有限公司、上海振華港機(jī)(集團(tuán))股份有限公司、衛(wèi)華集團(tuán)有限公司、上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠有限公司、德馬格起重機(jī)械(上海)有限公司等，國外起重機(jī)企業(yè)主要有:韓國現(xiàn)代重工、瑞典Kockums AB、德國特雷克斯德馬格公司、德國利勃海爾等［3］、芬蘭麥基嘉集團(tuán)、挪威 TTS公司、日本IHI、法國 BLM、瑞典赫格隆;德國 FUCHS FORDERTECHNIK、德國 KGW、日本 NICHIYO、日本 SKK、日本TSUJI HEAVY INDUSTRIES等。近年來從事建筑起重機(jī)研究的人員越來越多，本文只針對起重機(jī)的行走小車軌道進(jìn)行受力計(jì)算以及有限元分析。

1 工作原理

工作原理本起重機(jī)通過立柱固定在堅(jiān)實(shí)的地面上，立柱是可以不斷增高的，立柱的高度根據(jù)施工對象的高度確定，在滿足工作需要的前提下，立柱要盡可能低，以提高安全、穩(wěn)定性，從而減低開支費(fèi)用。該建筑起重機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

起重機(jī)作業(yè)時(shí)，駕駛?cè)藛T坐在駕駛室2內(nèi)操作起重機(jī)進(jìn)行作業(yè)，起重機(jī)可以繞立柱1實(shí)現(xiàn)整周回轉(zhuǎn)，能夠方便地實(shí)現(xiàn)重物的轉(zhuǎn)移。駕駛?cè)藛T通過操作起重機(jī)的卷揚(yáng)按鈕實(shí)現(xiàn)吊鉤5的下降，地面工作人員將被吊物體捆好或者用相關(guān)的輔助裝備懸掛在吊鉤5上后，駕駛?cè)藛T操作卷揚(yáng)起升，實(shí)現(xiàn)吊重物的吊起作業(yè)，吊重物起升到合適高度后，駕駛?cè)藛T目測吊重物要放置的位置，通過操作行走小車的相關(guān)按鈕，實(shí)現(xiàn)行走小車沿著吊臂3遠(yuǎn)離或者靠近立柱1，然后通過起重機(jī)吊臂回轉(zhuǎn)，到達(dá)指定位置后通過卷揚(yáng)放繩，實(shí)現(xiàn)吊鉤回落，最終將重物放置到地面，完成作業(yè)任務(wù)，值得注意的是，起升速度和小車行走速度要根據(jù)吊重物的不同進(jìn)行選取，目前根據(jù)我國現(xiàn)有的技術(shù)可以設(shè)計(jì)出至少3～4種工作速度。

圖1 起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2 起重機(jī)外載荷計(jì)算

外載荷計(jì)算起重機(jī)所受外載荷包括四部分:起升載荷、慣性載荷、風(fēng)載荷等，起重機(jī)作業(yè)起升時(shí)簡圖如圖2所示。起重機(jī)起升過程中卷揚(yáng)收繩產(chǎn)生的拉力用T表示，鋼絲繩的剛度系數(shù)用ks表示，起升載荷用mg表示，起吊重物豎直方向的加速度用a1表示，水平方向的加速用a2表示，吊臂的剛度系數(shù)用kb表示。

圖2 起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)

起重機(jī)起升加速階段由于慣性載荷作用起重機(jī)吊臂會(huì)發(fā)生一定的彈性變形，變形到一定程度后就會(huì)反彈，由于是彈性變形，不可能一瞬間就會(huì)恢復(fù)初始狀態(tài)而停止振動(dòng)，而是經(jīng)過一定的阻尼作用，如果與鋼絲繩的振動(dòng)不形成共振的前提下會(huì)慢慢停止振動(dòng)，但是會(huì)有一定的彈性變形存在，因此可以將吊臂的振動(dòng)和鋼絲繩的振動(dòng)看做兩個(gè)彈簧串聯(lián)起來，在彈簧的末端添加載荷。除此之外由于鋼絲繩不可以看做是剛體，起重物在起升過程中吊重物會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，吊重物的擺動(dòng)可用下式表示:具體起重機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖3表示。

圖3 起重機(jī)數(shù)學(xué)模型

經(jīng)過上述分析，可求出吊臂和鋼絲繩的等效彈性模量ke，由剛度系數(shù)的計(jì)算公式:

可求得

由吊臂受力平衡可知:

由(3)式可求得

其中T可由彈簧的變形量求得，即

式中:x為起重機(jī)吊臂在起升載荷、慣性載荷以及吊重物擺動(dòng)等載荷綜合作用下產(chǎn)生的撓曲變形和鋼絲繩產(chǎn)生的伸長量的綜合，此值可以很容易從起重機(jī)作業(yè)時(shí)現(xiàn)場取得。

3 起重機(jī)吊臂模型的建立

建立該起重機(jī)的模型是用于后續(xù)有限元分析，因此在建立時(shí)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕哑鹬貦C(jī)吊臂的一些無關(guān)緊要的零件刪減，以減小后續(xù)有限元分析時(shí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算量和有限元網(wǎng)格劃分的出錯(cuò)率。本文采用三維造型軟件Pro/E進(jìn)行起重機(jī)的三維模型的建立。

從開始菜單啟動(dòng)Pro ENGINEER，建立零件文件，設(shè)置工作目錄，然后進(jìn)入繪圖界面。本文中建立的吊臂是長16米，寬0.8米的臂架，運(yùn)用Pro/E的造型特征命令拉伸、陣列、混合等命令進(jìn)行起重機(jī)吊臂的三維模型的建立。建立的吊臂的模型如圖4所示，模型建立后進(jìn)行保存，保存至之前建立的工作目錄下，便于后續(xù)方便查找。同時(shí)將文件另存為igs格式文件，以便于后續(xù)ansys workbench有限元分析。

圖4 起重機(jī)吊臂模型

4 有限元分析

4.1 有限元分析前處理

啟動(dòng)ANSYS Workbench模塊，并建立ANSYS Workbench工作目錄。將起重機(jī)模型由Pro/E導(dǎo)出的IGS文件復(fù)制到ANSYSWorkbench工作目錄下。啟動(dòng)ANSYS Workbench模塊，進(jìn)入靜力學(xué)分析模塊，將IGS文件導(dǎo)入。從ANSYSWorkbench材料庫內(nèi)定義模型的材料，材料，材料選用structure steel，屈服強(qiáng)度為490 MPa，彈性模量207GPa，泊松比0.27;各不同支撐件的接觸方式定義為bonded，網(wǎng)格劃分采用默認(rèn)精度劃分。模型將起重機(jī)一端固定，載荷可視為兩個(gè)點(diǎn)載荷，分別施加于吊臂的兩條行走小車的軌道上，位于行走小車軌道的最末端也就是起重吊臂工作幅度最大的位置處，載荷大小為500kg。最后選定分析項(xiàng)和求解器求解。

4.2 有限元分析

4.2.1 模型生成 進(jìn)入分析界面后講模型導(dǎo)入，在DM內(nèi)點(diǎn)擊Generate，等待幾分鐘，界面內(nèi)將出現(xiàn)導(dǎo)入進(jìn)度條，當(dāng)進(jìn)度條完成后就會(huì)生成導(dǎo)入后的模型，導(dǎo)入成功后的模型如圖5所示。

圖5 導(dǎo)入后的起重機(jī)吊臂模型

4.2.2 模型網(wǎng)格劃分 關(guān)閉DM窗口，進(jìn)入M界面。按照左側(cè)模型樹進(jìn)行分析設(shè)置。首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置如前所述，網(wǎng)格劃分后的效果如圖6所示。

圖6 起重機(jī)吊臂網(wǎng)格劃分結(jié)果

4.2.3 加載與求解將劃分完成的吊臂進(jìn)行加載求解?；谟?jì)算過程要用到有限元理論計(jì)算，計(jì)算量比較大，還會(huì)產(chǎn)生多次迭代以及迭代不收斂的情況，因此，進(jìn)行此步驟要求計(jì)算機(jī)配置相對較高，尤其是內(nèi)存需要大一些，以提高求解的速度，縮短求解時(shí)間。由于起重機(jī)工作時(shí)回轉(zhuǎn)是整個(gè)臂架連帶駕駛室及工作人員一起旋轉(zhuǎn)的，回轉(zhuǎn)中心是立柱的中心，臂架的水平方向既沒有旋轉(zhuǎn)也沒有移動(dòng)的自由度。因此，分析時(shí)可以只分析起重機(jī)立柱與行走小車之間的起重機(jī)臂架部分，這樣既能滿足實(shí)際的工況又能減小有限元分析的計(jì)算量，同時(shí)還會(huì)減低分析的出錯(cuò)率。起重機(jī)臂架的行走小車在沿著吊臂行走的過程中，不同的位置下，起重機(jī)吊臂的受力情況以及力矩都是不同的，由理論力學(xué)可知當(dāng)行走小車位于起重機(jī)臂架上的遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心的位置時(shí)，力矩時(shí)最大的，起重機(jī)吊臂上側(cè)受拉完彎曲載荷和下側(cè)受擠壓彎曲載荷的彎曲應(yīng)力最大，此情形也是起重機(jī)吊臂工況最危險(xiǎn)的位置。本文中將對起重機(jī)施加500kg的起重量進(jìn)行分析，加載位置和載荷類型按之前所述加載。分析完成后查看吊臂應(yīng)力選項(xiàng)，吊臂應(yīng)力分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 起重機(jī)吊臂網(wǎng)格劃分結(jié)果

4.2.4 結(jié)果分析 由起重機(jī)吊臂的應(yīng)力分析結(jié)果可知，起重機(jī)吊臂架的最大應(yīng)力值為 8.7364MPa，起重機(jī)吊臂架的材料一般為Q490，屈服強(qiáng)度為490 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足于起重機(jī)吊臂的強(qiáng)度要求，最大值并非出現(xiàn)在臂架距離回轉(zhuǎn)中心立柱最近的位置，而是位于臂架的平衡繩與吊臂架連接的位置。因此，在設(shè)計(jì)此類起重機(jī)臂架時(shí)需要格外注意平衡繩與吊臂架連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，適當(dāng)增加此位置的載荷均布結(jié)構(gòu)。另一方面也可以看出，同一起吊重物，當(dāng)起升加速不同時(shí)，吊臂上鋼絲繩的拉力不同，作用于起重機(jī)臂架的力就不同，起升加速度越大，鋼絲繩的拉力也就越大，起重機(jī)臂架所受載荷也就越大，應(yīng)力值也就越大，反之則越小。這就為操作起重機(jī)時(shí)要盡量平穩(wěn)，提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)論

通過對該建筑塔式起重機(jī)吊臂架的受力理論計(jì)算以及通過有限元軟件進(jìn)行了應(yīng)力方面的有限元分析，得出了起重機(jī)作業(yè)時(shí)吊臂架上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在起重機(jī)臂架的平衡繩處，并且操作起重機(jī)作業(yè)時(shí)要在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，使起重機(jī)動(dòng)作盡量平穩(wěn)，以減小起升動(dòng)載荷。

［1］邱洪初.一種新穎多功能建筑起重機(jī)［J］.建筑機(jī)械技術(shù)與管理，1994:23－24.

［2］叢偉，湯躍泉.建筑起重機(jī)載重滑輪組的扭轉(zhuǎn)問題分析［J］.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，09:21 －23.

［3］陳保鋼，王佳茜.流動(dòng)式起重機(jī)的發(fā)展與展望［J］.長沙:建筑機(jī)械技術(shù)與管理，2004:53－54.