平頭塔機(jī)起重臂下主弦桿設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究

范開(kāi)英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250200）

平頭塔機(jī)起重臂下主弦桿設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究

范開(kāi)英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250200）

隨著建設(shè)項(xiàng)目對(duì)起重量和幅度越來(lái)越高的要求，平頭塔機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在對(duì)整機(jī)影響最大的起重臂設(shè)計(jì)時(shí)，精確的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果對(duì)節(jié)約成本意義重大。本文為平頭塔機(jī)局部理論設(shè)計(jì)特別是起重臂下主弦桿總結(jié)了清晰的計(jì)算思路，分析了理論計(jì)算與有限元分析結(jié)果的差異性，并提出了一些優(yōu)化控制方法。

平頭式塔式起重機(jī)；起重臂；下主弦桿；設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)帶塔帽和拉桿的平臂塔機(jī)相比，平頭塔機(jī)因其構(gòu)造的不同有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)［1］：它可以降低拆裝塔機(jī)對(duì)所需起重設(shè)備的要求；因塔群交叉作業(yè)總體高度可大大降低，尤其適合于群塔交叉作業(yè)；吊臂鋼結(jié)構(gòu)壽命長(zhǎng)、安全性高。平頭塔機(jī)目前在電站建設(shè)等大型項(xiàng)目上應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)其構(gòu)造的經(jīng)濟(jì)性分析也十分重要。

平頭塔機(jī)起重臂自重對(duì)平衡臂和塔身設(shè)計(jì)有較大影響，如果起重臂自重增加10%，則一般平衡臂增加10%，塔身增加5%，導(dǎo)致整機(jī)重量大幅增加。每減少1t起重臂重量，大約可減少0.5t平衡臂、1t平衡重、3～5t塔身材料。因此起重臂的精確設(shè)計(jì)在平頭塔機(jī)設(shè)計(jì)中非常重要。然而在對(duì)起重臂進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)起重臂下主弦桿有限元軟件分析結(jié)果與手工計(jì)算結(jié)果相差較大，往往手工計(jì)算合格時(shí)，有限元分析結(jié)果卻不滿(mǎn)足要求。

1 起重臂下主弦設(shè)計(jì)計(jì)算

采用倒三角結(jié)構(gòu)，小車(chē)在起重臂的下主弦桿工字鋼上行走。起重臂為桁架懸臂結(jié)構(gòu)，下主弦桿設(shè)計(jì)校核分為三種工況。

1）起升載荷在起重臂最大幅度，下主弦桿軸力由自重彎矩和起升載荷彎矩組合而成。

式中 MGj——計(jì)算節(jié)數(shù)j節(jié)的自重力矩；

MQj—— 計(jì)算節(jié)數(shù)j節(jié)的起升載荷力矩，Q70對(duì)應(yīng)的為遠(yuǎn)端載荷，此MQj為起升載荷能產(chǎn)生的最大力矩；

Gi——計(jì)算節(jié)數(shù)i節(jié)的自重載荷；

Li——計(jì)算節(jié)數(shù)i節(jié)的自重重心；

Lj——計(jì)算節(jié)數(shù)j節(jié)的計(jì)算位置；

Nj——計(jì)算節(jié)數(shù)j節(jié)的下主弦桿載荷。由起升特性可知，各幅度起升載荷對(duì)塔身產(chǎn)生的力矩相同，即

起重臂在任意載荷作用下的各處彎矩為

由此可知對(duì)起重臂各位置，力矩最大值為最大幅度起升載荷產(chǎn)生力矩。因此在取起升載荷的力矩時(shí)統(tǒng)一選取最大幅度的起升載荷在各處引起的彎矩即可。通過(guò)對(duì)應(yīng)力的控制，可計(jì)算出下主弦桿的截面積。

2）小車(chē)在下主弦桿節(jié)間某處，下主弦桿承受自重彎矩引起的軸壓力，節(jié)間跨中彎矩引起的工字鋼上翼緣板的局部彎曲應(yīng)力共同作用。

3）小車(chē)在下主弦桿節(jié)點(diǎn)處時(shí)，小車(chē)局部輪壓引起的工字鋼下翼緣板的局部彎曲應(yīng)力最大值為

起重臂下主弦桿工字鋼為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)共有6個(gè)未知參數(shù)。腹板高度由車(chē)輪高度決定，下翼緣板寬度由車(chē)輪間距決定；當(dāng)起重臂腹桿截面確定后，腹桿在上翼緣板布置時(shí)，為避免焊縫集中，通常會(huì)錯(cuò)開(kāi)焊接，上翼緣板最小寬度確定。由工況一可計(jì)算出下主弦桿的總截面積，由工況二可校核出上翼緣板的厚度是否滿(mǎn)足上翼緣板局部抗彎要求；由工況三可校核出下翼緣板的厚度是否滿(mǎn)足局部輪壓要求；對(duì)選擇好的截面，還要校核翼緣板和腹板的構(gòu)造穩(wěn)定性要求；至此下主弦桿工字鋼截面確定。

2 起重臂下主弦桿有限元分析

起重臂為桁架結(jié)構(gòu)，建模時(shí)選用Beam188單元［2］，它適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。由于起重臂各節(jié)工字鋼截面的型心高度不一致，在手工計(jì)算時(shí)通常忽略這一問(wèn)題。另外由于上翼緣板的寬度很小，起重臂各節(jié)腹桿的交點(diǎn)并不在同一條直線(xiàn)上。為保持與設(shè)計(jì)計(jì)算統(tǒng)一，選取斜腹桿交點(diǎn)在同一條中心線(xiàn)上，起重臂下主弦桿根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整高度，使下翼緣板上表面在同一水平面上。在梁?jiǎn)卧脑O(shè)置時(shí)，調(diào)整量為下翼緣板厚度和一半腹板高度之和。

QTZ1200塔機(jī)起重臂根部梁高3 000mm，最大幅度70m，起升性能13.1t，小車(chē)吊鉤及鋼絲繩重量共計(jì)5.5t，按規(guī)范計(jì)算得起升載荷為21.5t，在起重臂下主弦桿70m小車(chē)作用處加載。根據(jù)起重臂實(shí)際重量設(shè)置密度為9 360kg/m3。起重臂根部約束按Y向鉸接，其余固定約束計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 起重臂Y軸方向局部彎矩圖

圖2 起重臂Von應(yīng)力結(jié)果圖

3 理論計(jì)算和有限元結(jié)果比較

從計(jì)算表中可以看出，設(shè)計(jì)校核計(jì)算的結(jié)果“下主弦桿理論軸力”與Ansys建模計(jì)算的結(jié)果“模型計(jì)算軸力”基本相同，誤差在3%以?xún)?nèi)，這是因?yàn)閷?shí)際局部情況與模型結(jié)構(gòu)均勻的自重情況略有差異，這些誤差可以忽略。

考慮第四強(qiáng)度理論-形狀改變比能理論，Ansys模型計(jì)算出來(lái)的馮氏應(yīng)力即表格中的“模型綜合應(yīng)力”與軸應(yīng)力比較則大很多，一般在10%～15%左右，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法目前則無(wú)法計(jì)算此項(xiàng)。通過(guò)另一種有限元分析軟件SAP84的分析，此彎矩是確實(shí)存在的，而且兩種有限元軟件分析的結(jié)論基本相同，所以只靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法存在設(shè)計(jì)隱患。

表1 起重臂理論計(jì)算與有限元結(jié)果對(duì)比

4 局部彎矩影響的優(yōu)化

根據(jù)起重臂下主弦桿設(shè)計(jì)計(jì)算可知，起重臂各節(jié)截面積差距較大，為統(tǒng)一車(chē)輪，上下翼緣板面積也各不相同，形心差從節(jié)1到節(jié)6依次為 2.5，-18.6，-15.5，-12.4，-22，-48，局部彎矩引起的應(yīng)力誤差與形心分布沒(méi)有明顯的關(guān)系，但形心下移似乎對(duì)減小應(yīng)力有好處。

經(jīng)模型反復(fù)調(diào)整比較，桁架高度減少60mm，下主弦桿結(jié)構(gòu)向桁架中心線(xiàn)以下調(diào)60mm，此時(shí)下主弦桿的軸力雖有增大，但局部彎矩顯著減少，綜合應(yīng)力略有下降。

5 結(jié) 論

本文總結(jié)了平頭塔機(jī)起重臂下主弦桿設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)注意的問(wèn)題，明確了工字鋼截面各參數(shù)的設(shè)計(jì)和校核原則。綜合上述分析，起重臂下主弦桿的設(shè)計(jì)要考慮的因素如下。

1）工字鋼截面積為求解參數(shù)，下翼緣板寬和腹板高度為公共結(jié)構(gòu)參數(shù)；上翼緣板寬度、厚度為腹桿構(gòu)造要求和局部彎矩校核參數(shù)；下翼緣板厚度為局部輪壓校核參數(shù)。

2）傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果不能完全體現(xiàn)起重臂下主弦桿的受力情況，設(shè)計(jì)之初應(yīng)預(yù)留15%的余量，以保證在局部彎矩的影響下起重臂強(qiáng)度仍能滿(mǎn)足要求。

3）有限元建模時(shí)應(yīng)考慮形心位置的影響，雖然實(shí)際中形心變化是不可避免的，但可以利用腹桿對(duì)桁架高度的變化減少其對(duì)局部彎矩的影響。

［1］常曉華，王春華.塔式起重機(jī)起重臂危險(xiǎn)點(diǎn)的確定［J］.建筑機(jī)械化，2006，（10）：21-23.

［2］任會(huì)禮，李江波，高崇仁.基于ANSYS的塔式起重機(jī)臂架有限元參數(shù)化建模與分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2005，（9）：11-13.

［3］張志文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第一版）［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.

（編輯 賈澤輝）

Research of design and calculation method of main chord member under the fl at head tower crane boom

FAN Kai-ying， SHEN Lan-hua， SHI Hai-hong

TH212；TH213.3

B

1001-1366（2015）08-0039-03

2015-05-09