剛性變幅船用起重機臂架結構計算方法

鄒士勇

(中國船級社江蘇分社，江蘇 南京 210011)

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剛性變幅船用起重機臂架結構計算方法

鄒士勇

(中國船級社江蘇分社，江蘇 南京 210011)

通過對中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范(2007)》中對剛性變幅的船用臂架起重機計算要求進行分析和整理，結合起重機械方面專業書籍對相關結構的計算方法，給出了比較適合這類船用起重機臂架結構的計算方法，其中包括對該類型的起重機的單梁箱形變截面等強度臂架結構強度和變形擾度的計算分析。計算結果要求：結構強度應小于所用材料許用應力，變形擾度應滿足Y方向變形[Σy] ≤1/40和X方向變形[Σx] ≤1/100的要求。通過對船上剛性變幅船用起重機臂架結構的計算應用，該類起重機在實際各種工況下使用中無結構損壞和變形，證實了該計算方法完全符合剛性變幅船用起重機臂架結構安全要求。

起重機；剛性變幅；長細比；結構強度；剛度計算

0　引言

船用起重機主要用于起貨和起吊雜物。起貨用起重機一般承載力較大且使用較為頻繁，雜物用起重機通常噸位較小且使用頻次少。目前貨物起重機的主要形式為鋼絲繩變幅型臂架起重機，雜物起重機的主要形式為油缸變幅型臂架起重機、軌道平移式起重機，其中油缸變幅型臂架起重機又稱剛性變幅船用起重機。

剛性變幅船用起重機在許多船舶上得到應用，主要作為服務用起重機、備件備品起重機。它結構簡單，強度比較高，吊機重心較低，重量較輕，運動部件少，易于安裝，但其結構中有很大一部分是單梁箱形變截面等強度臂架。由于端部沒有變幅繩的張力的約束，臂架要承載較大的彎矩，容易引起安全隱患，甚至造成人員傷亡、貨物損失及船舶設備損壞，因此應對此類結構形式的臂架進行分析，確保其使用安全。

1　臂架結構形式和結構特點

1.1臂架結構形式

剛性變幅(主要是通過油缸變幅)的臂架結構主要由底座、回轉支承、塔身、變幅油缸、起升機構、吊臂、鋼絲繩、吊鉤等組成，其結構形式示意圖如圖1所示。

1.底座　2.回轉支承　3.塔身　4.變幅油缸　5.起升機構　6.吊臂　7.鋼絲繩　8.吊鉤

1.2臂架結構特點

根據該起重機的受力特點，該類船用起重機臂架結構一般為變截面箱形結構形式，其臂架折算慣性矩計算簡圖如圖2所示。由于結構剛度較高，為了減輕臂架自重載荷，盡量做到等強度設計，從油缸支承點到臂架端部截面尺寸不斷減少，適合根據其懸臂受力彎矩不斷減少的受力要求。

I1～I7,I11～I14：截面的實際慣性矩　A：臂架頭部吊重物端　B：油缸支撐　C：臂架尾部塔身連接處　L：臂架長度　L1：臂架前段長度　L2：臂架后段長度　F：臂架頂端外力

該類船用起重機臂架結構形式和受力方式具有以下幾個特點:

(1)支承形式：2點鉸支并外伸懸臂結構形式。

(2)結構形式：雙向不對稱變截面箱形焊接結構。

(3)受力形式：以彎曲為主，兼有少量的軸向壓力，隨著臂架仰角變化，彎矩變小，而軸向壓力增大。

2　臂架計算方法

2.1規范計算方法

根據《船舶與海上設施起重設備規范(2007)》第3章第2節，剛性變幅船用起重機屬于普通起重機中起貨設備范疇，因而其臂架適用于第3.2.17條款：同時承受壓力和彎曲的構件，應力衡準應按式(1)校核穩定性：

σm/σs+σc/σcr≤1/n

(1)

式中：σm為構件承受的彎曲應力，MPa；σc為構件承受的壓應力，MPa；σs為鋼材屈服強度，MPa；σcr為構件的臨界壓應力，MPa。

σcr由構件的長細比λ和截面形狀決定，但是對于這種臂架結構和受力形式，《船舶與海上設施起重設備規范(2007)》沒有其長細比的計算方法，因而也就無法查取σcr數值。

事實上，《起重機設計規范》和《起重機設計手冊》等相關文獻中涉及結構計算內容中都沒有給出這種臂架結構的長細比λ計算方法。

《起重機設計規范》規定的長細比λ計算的結構形式主要是以下幾種情形，計算時必須滿足其中的條件之一：

(1)軸心受壓構件(偏心受壓構件都不適用)。

(2)兩端絞支或者是一端固定支撐一端懸臂。

(3)構件的回轉半徑不變，或者截面積不變(截面積變化也是沿軸線長度方向對稱變化)。

《船舶與海上設施起重設備規范(2007)》第3.2.18.1條校核起重機臂架整體穩定性時，需校核在臂架變幅和回轉平面2個方向的穩定性的要求，只是針對由鋼索支持的常規形式臂架。

而本文所討論的是非常規形式臂架—2點鉸支、懸臂外伸結構臂架形式，不滿足《起重機設計規范》規定的3個條件中任何1個條件，也不能簡單地運用式(1)校核其穩定性和依照《船舶與海上設施起重設備規范(2007)》第3.2.18.1條要求對該類型起重機臂架校核在變幅和回轉平面2個方向的整體穩定性。

2.2實際情況計算方法的應用

對于剛性變幅船用起重機一般是按下面的方法進行計算臂架整體和局部強度以及通過臂架結構的靜剛性計算來校核起重機的穩定性的。

2.2.1按2點鉸支并外伸懸臂梁分析應力

在最大工作幅度(臂架水平)起升安全工作負荷時，剛性變幅起重機臂架結構承受最大傾覆力矩，此時臂架處于最危險工況。按式(2)計算出的實際屈服應力σcs應在鋼材的基本許用應力[σ]范圍內，鋼材的基本許用應力[σ]按《船舶與海上設施起重設備規范(2007)》第3.2.16條要求計算。

σcs=((σm+σc)2+3τ)1/2≤[σ]

(2)

式中：τ為剪切應力, MPa；[σ]為鋼材的基本許用應力，MPa。

同時求出此工作條件下與塔身連接支座處的最大支持反力PCy、PCz和求出臂架在最大幅度時油缸的推力Fy、Fz。臂架受力分析圖如圖3所示。

A：臂架頭部吊重物端　B：油缸上支撐　C：臂架尾部塔身連接處　D：油缸下支撐　SWL：工作負載　Gb：吊臂重量　Gh：吊具重量　Gc：油缸重量　b：油缸中心距　Lb：臂架重心　Lj：吊臂總長　a：水平軸距　n：垂直軸距　α、β：夾角　Fz、Fy：油缸支撐B處支持反力　PCy、PCz：塔身連接處支座C處的最大支持反力

對A支點取矩為零：∑MA=0

ψhLj(SWL+Gh)+LbGb+bGc-aFycosθ-

nFzcosθ=0

式中：θ為吊臂變幅角度；ψh為動載系數。

Fy/Fz=tan(β-α)，求出Fz，Fy。

對B支點取矩為零：∑MB=0

ψh(Lj-a)(SWL+Gh)+(Lb-a)Gb-

(a-b)Gc-aPCycosθ+nPCzcosθ=0

Fz=PCz，求出PCy。

油缸支撐B處受力分析如圖4所示。根據圖4得出：M=FyLk+Fzh，通過σm=M/WB、σc=F′/A、τ=Fy/A′求出截面的σm、σc和τ，再用式(2)對臨近支座處的臂架危險截面B進行強度校核。其中：M為彎矩，N·m；WB為B點處的截面模數，mm3；h為臂架B點處的截面中心高，mm；Lk為臂架B、C兩點間距離,mm；F′為貨物對臂架壓力，N；A′為臂架B處截面積，mm2。

需要說明的是，由于塔身結構不同，油缸最大推力出現在臂架仰角的角度也不同，通常油缸最大推力出現在臂架仰角15°左右處，此時油缸最大推力比臂架水平工作時推力雖然增大了一些，但對結構強度計算影響不大。為簡便計算，仍然取水平狀態進行計算。

B：油缸支撐處　C：塔身連接處

2.2.2臂架在變幅平面和回轉平面的靜剛度

根據《起重機設計手冊》中相關要求，為防止臂架端部變形過大而影響起重機正常工作，應對臂架端部的位移進行限制，可參照伸縮臂起重機吊臂變形的相關要求：臂架頂端在變幅平面內的移位Σy應不大于臂架實際長度的1/30～1/50，取：

[Σy] ≤1/40

(3)

同時臂架端部在回轉平面內加載5%額定工作負荷時，其頂端側向位移不大于臂架總長度L的1/100。考慮到船舶傾斜、風力及起升繩偏擺等因素，計算船用起重機臂架靜剛度時在回轉平面內以加載10%的額定工作負荷計算其水平位移，取：

[Σx] ≤1/100

(4)

對于這種2點鉸支、懸臂外伸結構臂架形式《起重機設計手冊》第2篇第7章第3節臂架系統結構設計中提供了以下計算位移近似方法：

1/I″c= 16/(1/I7+4/I6+9/I5+16/I4)

2.2.3臂架結構的局部穩定性

箱形臂架結構受壓翼板通過控制其寬厚比來保

證局部穩定性。當翼板寬度較大時用設置縱向加勁肋來減小寬厚比，油缸支撐B處截面積圖(受壓翼緣板)如圖5所示。其寬厚比根據《起重機設計手冊》第2篇第1章第5節受彎構件來計算。

(1)受壓翼緣板外伸部分的寬厚比：

b/t≤15 (235/σs)1/2

(5)

(2)箱形板在腹板之間受壓翼板的寬厚比：

b0/t≤60 (235/σs)1/2

(6)

t：下板厚度　b、b0：板寬

當翼板寬度較大時，應設置1道或多道勁肋，劃分出來的區格寬度b0同樣應滿足式(6)的要求。滿足上述條件且翼板中計算應力不大于0.8[σ]可以不必驗算其受壓翼緣板的局部穩定性。通常第(1)條件都很容易滿足，設計中要注意的是第(2)條件若不能滿足，需在臂架底板上都要加上縱向勁肋以減小寬厚比。

3　結語

本文討論的油缸變幅的船用起重機根據起重能力的不同，有的是單個變幅油缸，有的因起重機較大配有2個變幅油缸。對于后者來說臂架結構較寬，結構剛度較好，但翼緣板較寬，需注意板的局部穩定性。對于單個油缸變幅的臂架相對較窄，尤其是懸臂比較長的臂架不但要校核強度，也要校核其結構靜態剛度，才能確保起重機的使用安全。

例如某5 000 t半潛駁上的5 t 29 m液壓雜物吊屬于剛性變幅船用起重機。通過上述方法計算，其臂架強度符合要求。該起重機在實際各種工況下使用中無結構損壞和變形，更證實了該計算方法是完全符合剛性變幅船用起重機臂架結構安全要求。

[1]張質文，鄒勝，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社， 2013.

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局.起重機設計規范：GB/T 3811—2008[S].北京：中國標準出版社， 2008.

[2]中國船檢級社.船舶與海上設施起重設備規范[M].北京：人民交通出版社，2008.

2016-01-29

鄒士勇(1977—)，男，工程師，從事船舶審圖工作。

U661.4

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