預制構件高效吊裝設備總體設計及有限元分析

尹奕明， 劉士明

（沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

發展裝配式建筑是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措， 為此政府制定一系列對應的制度政策，要求裝配式建筑企業提高核心競爭力，完成建筑及構件研發與生產的規?；ㄟ^核心技術研發與創新，提高效率和具體落實質量，實現施工過程機械化和現代化，逐步實現建筑工業化和智能化[1，2]。目前，我國高層裝配式建筑主要以傳統的塔式起重機為主進行預制構件的吊裝作業，國內外都采用流動式起重機為主，對低層工業化建筑構件吊裝施工[3]。對于采用傳統起重機進行預制構件吊裝的裝配式建筑， 在吊運預制構件就位安裝過程中存在一系列問題，包括構件姿態難以控制、構件安裝就位準確度差等。 針對裝配式建筑構件吊裝施工中存在的問題，國內外眾多建筑施工單位和研究人員設計開發了部分針對工業化建筑施工的智能建造系統[4]。自動一體化建造系統，施工作業通過 “流水線” 形式完成， 例如日本研發的“ABCS”和“BIG-CANOPY”智能建造系統的工作平臺可附著在建筑施工平面上方的， 平臺懸掛有布料機以及構件吊運裝置，可實現構件的運輸與吊裝功能[5，6]。 另外歐美部分國家已經開展了對混凝土預制構件吊裝施工所用的自動化機械裝置，機械吊臂以及施工機器人的研發[7，8]。 我國為推動裝配式建筑構件施工現場的高效吊裝安裝，在“十三五”國家重點研發計劃中設立了“施工現場構件高效吊裝安裝關鍵技術與裝備”專項。 同時，在國內有眾多的企業對裝配式建筑工業化施工問題進行研究。 西安建筑科技大學的王帥[9]研究了鋼筋混凝土預制構件吊裝自動取放吊具的研究與設計， 采用三維設計軟件對高效吊裝設備進行總體及關鍵零部件的設計， 并對關鍵部件進行了力學分析。

綜上所述， 本文為提高裝配式建筑預制構件在施工現場的高效吊裝， 采用SolidWorks 軟件設計研發了一種六自由度試驗用高效吊裝設備， 提出基于液壓系統的剪叉機構，并對剪叉機構進行靜力學分析。

1 試驗用構件高效吊裝設備總體方案設計

1.1 吊裝設備總體方案設計

構件高效吊裝設備的總體結構如圖1 所示， 主要由行走臺車系統，行走小車，固定支撐架，起重承載梁，專用吊具組成，其中專用吊具與行走小車通過回轉支撐連接。在圖1 所示中的專用吊具主要用于進行豎向構件的吊裝，其由2 個液壓油缸驅動的伸縮式剪叉機構、兩個剪叉間距調整機構和回轉支撐架等組成。 預制構件通過起重承載梁沿固定支撐架的行走、 行走小車沿起重承載梁水平移動和伸縮式剪叉機構實現3 個方向的水平移動，由回轉支撐實現預制構件的回轉運動， 通過分別控制剪叉機構的伸縮量調整構件的安裝角度， 通過調整兩個伸縮式剪叉之間的距離來實現預制構件吊點的改變。因此，設計的試驗用預制構件高效吊裝設備具有六個自由度，通過操作系統的控制， 專用吊具將預制構件運輸到安裝位置，并同時完成姿態調整與就位安裝，從而解決傳統吊裝裝置中需要人工輔助作業的問題， 提高吊裝作業的整體效率和安全性。

圖1 裝配式建筑預制構件吊裝裝置的總體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of the assembly-type building prefabricated member hoisting device

1.2 高效吊裝設備的工作原理

試驗用預制構件吊裝設采用類似雙梁門式起重機的總體布局形式，具有大車行走機構、小車行走機構和起升機構，并在行走小車上掛有360°回轉專用吊具，其專用吊具實現預制構件升降運動、 吊鉤間距調整和構件姿態調整功能。

起升機構通過電機驅動兩組剪叉機構實現， 滑動機架和剪叉機構頂部鉸點相連， 通過液壓缸的伸縮運動為剪叉機構的升降提供驅動力。 兩組剪叉機構可獨立運動， 進而可以實現構件傾斜角度的姿態調整，如圖2 所示。

圖2 液壓驅動剪叉機構Fig.2 Hydraulic-driven fork mechanism

回轉機構為典型的起重機械回轉結構， 回轉上支座頂部與行走小車固定連接， 回轉下支座與吊具框架連接， 回轉上支座與回轉下支座之間用回轉支撐連接。 通過減速電機驅動蝸桿回轉， 使吊具框架帶動整個專用吊具繞回轉支撐軸線轉動即實現構件在水平面內姿態調整，如圖3 所示。

圖3 起重回轉支撐結構Fig.3 Lifting and rotating support structure

機構間距的調整采用電動推桿、 電機和機架采用對稱分布的形式， 電動推桿和滑動機架， 滑動機架與剪叉機構上端都采用固定連接的方式， 滑動機架與吊梁上直線導軌采用滑動連接的方式，如圖4 所示。

圖4 吊鉤間距調整裝置Fig.4 Hook spacing adjusting device

2 剪叉機構有限元仿真

2.1 單元的選擇和連接結構件處理

剪叉機構的剪叉桿全部是方鋼制作而成， 在有限元分析中單元類型選用Beam188。 剪叉機構中液壓油缸是二力桿構件，選用Link180 單元進行模擬。

在實際工作中， 剪叉桿和連接桿鉸接點是通過軸連接，剪叉桿鉸接點處可以相對轉對，在建模過程中，需要解決各部分的連接問題。本文有限元分析中，采用節點自由度耦合技術來模擬各個部分的連接。CPINTF 命令可以將相同界面上節點位置在誤差范圍內的節點自動耦合，并能一次自動耦合大量節點， 對于剪叉桿之間的鉸接使用CPINTF 命令來耦合將更簡便而有效。

2.2 參數化進行有限元模型的建立

通過參數化設計語言APDL 編寫剪叉機構建模的命令流文件，生成剪叉機構的有限元模型。 其中剪叉桿和連接桿材料選用鋼Q345。液壓油缸部分選取活塞桿的直徑， 其面積為1600mm2實心圓管，油缸座選用φ15×15mm 圓管，最下端的連接桿選用φ20×2.5mm 圓管。 選取滑塊兩個位置進行分析： 最大行程550mm，最小行程260mm。整個剪叉機構運動的有效行程為975mm。 剪叉機構中材料的彈性模量E=2.05e5MPa， 泊 松 比μ=0.3， 質 量 密 度 取ρ=7850kg/m3。 最終的有限元模型如圖5 所示， 模型中含有節點346 個，單元345 個。

圖5 剪叉機構的有限元模型Fig.5 Finite element model of shear fork mechanism

2.3 施加邊界條件

本文研究設計的剪叉機構在工作過程中， 剪叉機構的兩種極限位置工況分別為頂端滑塊最大行程與最小行程，在平臺額定載荷的作用下，計算剪叉機構關鍵零部件的變形和應力情況。 對剪叉機構進行分析時，對于頂端滑塊鉸接點施加x、y、z 的3 個方向平動自由度和繞x、z 的2 個方向轉動自由度的約束。 考慮剪叉機構的自重， 其重力加速度g=9.8m/s2，在最下端吊鉤連接軸施加額定載荷200kg。

2.4 分析結果

當ANSYS 求解器完成求解后， 進入ANSYS 后處理器，在后處理器中，可以獲取模型計算后各種結果信息。可得到兩種極限位置工況下剪叉機構的位移和應力云圖，位移和應力云圖如圖6、7 所示。

圖6 滑塊最小行程剪叉機構的變形與應力云圖Fig.6 Deformation and stress nephogram of the minimum stroke fork mechanism of the slide block

根據以上計算結果可知， 剪叉機構最大變形位于剪叉機構末端， 最大變形25.7mm。 在滑塊處于最大行程550mm 時所受應力最大值為253.19MPa， 位于液壓油缸座與剪叉桿焊接周圍， 其余部位的應力均小于許用應力256MPa，滿足強度要求。

圖7 滑塊最大行程剪叉機構的變形與應力云圖Fig.7 Deformation and stress cloud diagram of maximum stroke shear fork mechanism of slider

3 結束語

本文基于Solidworks 和Ansys 建立了試驗用構件高效吊裝設備三維CAD 的模型和有限元分析模型，對其關進部件進行了靜力學分析，得出如下結論：

設計的試驗用預制構件吊裝設備， 能夠滿足實際豎向構件吊運和安裝調姿功能， 為預制構件高效吊裝運動控制和仿真提供了三維樣機。

利用APDL 語言建立了剪叉機構的力學分析模型，并進行了靜力學分析。分析結果表明，設計的剪叉機構的強度和剛度滿足要求， 為為實際構件高效吊裝設備的研發設計提供有價值的參考。