一種新型擦窗機底座的應用研究

李玉杰，謝丹蕾，李 沿，孔園春

（1.中國建筑科學研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.廊坊凱博建設機械科技有限公司，河北 廊坊 065001）

擦窗機作為一種常設高空作業(yè)載人設備，對其安全性和可靠性要求非常高，各個部件都必須具有足夠的強度和承載力，特別是擦窗機的底座，承載著整個擦窗機的重量及其載荷，其結構復雜，臂長30m以上的擦窗機,底座的外形尺寸達到了3.5m×3.5m～4m×4m，在滿足承載力的要求下，組裝運輸方便也是設計的重要參數要求之一。基于這些設計需求，我們提出了一種新的底座組裝連接方式，通過計算以及實際工程應用表明，該底座具有可推廣性。

1 擦窗機整體結構

擦窗機主要由臂頭、伸縮吊臂、立柱、卷揚機構、底座等組成，如圖1所示。擦窗機工作時，放置在建筑物樓頂，主要通過臂頭、伸縮吊臂、回轉機構來使吊船接近建筑物的外立面，完成建筑物外立面的清洗、保養(yǎng)以及維護工作。

圖1 擦窗機主要結構示意圖

2 底座的結構形式

圖2是兩種底座連接方式的結構示意圖，本文所研究的底座主梁和側梁連接方式是銷接，以往的連接方式是螺栓連接。銷接工作可靠，拆卸方便；螺栓連接雖然能精確固定被連結件的位置和承受一定的橫向力，但是加工精度要求高。

圖2 底座結構示意圖

該底座4m×4m的尺寸可分解為主梁2m×3.5m和側梁0.3m×4m的外形尺寸，這樣的安裝連接方式便于運輸。

3 底座危險工況的確定

擦窗機的底座要承受所有部件的重量及其工作載荷，這些載荷可簡化為回轉以上的力P1（旋轉部件載荷）和回轉以下的力P2，繞著旋轉部件重心的前后彎矩差M，這些表現在底座上的力是4個輪壓，如圖3所示，輪壓計算公式如下。

式中α——吊臂與底座中心線的夾角，與主回轉轉動的角度有關；

P1——回轉以上部件的重量；

P2——回轉以下部件的重量；

Mx、My——旋轉部分載荷向旋轉中心轉化的力矩在x、y方向的分力矩；

La、Lb——分別是底座的軌距和輪距。

圖3 輪壓計算示意圖

P1，P2是設備所有部件的自重以及所有載荷，是常量，M是繞著旋轉部件重心的前后力矩差，與回轉以上部分的重心有關系，重心不變，相對也是常量。顯然，當a=45°時，輪壓最大，即底座受力最大，此工況為底座最危險工況。經計算，可得各輪壓如下：Rt1=33.8kN，Rt2=92.5kN，Rd1=92.5kN，Rd2=161.3kN，可見，最大輪壓Rd2=161.3kN。

4 底座側梁的計算

側梁最危險截面是側梁與主梁銷接處，側梁受力示意和截面如圖4所示。

圖4 側梁受力示意和截面圖

圖4中，F等于最大輪壓Rd2，即F=161.3kN；L=0.65m。

截面的抗彎模量W1=1010667mm3；則

側梁的材料是Q235B,根據GB19154-2017要求，安全系數n=1.5。則：

滿足強度要求。

5 整體結構計算

擦窗機的底座承載著整個擦窗機的重量及其載荷，其結構復雜，傳統計算方法在整體應力和變形及其局部應力計算都受到了一定的限制。用有限元方法對擦窗機底座進行輔助設計，既提高了工作效率又可使計算精度大大提高。

在有限元計算中，模型的簡化至關重要。底座是箱形結構，為了保證計算結果的可靠性，底座金屬結構采用板殼單元進行模擬，立軸及其驅動輪軸都用梁單位模擬，由上述可知底座最危險的工況為吊臂夾角為45°時的工況，為了模擬吊臂45°方向對底座受力的影響，模型還包括了伸縮吊臂和立柱，兩者都用梁單元模擬。

由計算結果可知，底座最大應力為113MPa，滿足強度要求。最大應力出現在側臂與主臂連接銷子附近上蓋板與腹板的連接處，說明兩立軸的距離決定著附近側臂蓋板和腹板連接處應力的大小；最大位移為1.8mm，在底座的跨中位置，滿足GB19154-2017撓度不大于1/200的要求，滿足剛度要求。因此該底座在額定載荷下，能保證安全工作。

6 結 語

該底座在車間組裝過程中拆卸方便，已經應用在多個工程項目中，擦窗機在運行過程中，底座受力平穩(wěn)，工作可靠。