超大型環軌起重機組合臂架結構設計與研究

摘要：為滿足10000t吊載需求，設計了一種用于超大型環軌起重機的“人字形”雙支腿結構的模塊化組合臂架，其每個支腿均由四組標準節組成，并在標準節間設計有“類綴板+綴條”加強結構。通過理論和有限元分析方法，進行臂架結構的對比分析，驗證了該臂架結構的合理性、優越性和可實現性，為其他具有超大吊載需求的臂架設計提供了一定的理論支撐與可靠依據。

關鍵詞：組合臂架；優化設計；加強結構；有限元分析

0" "引言

隨著社會經濟快速發展和技術不斷進步，在海工、核電、石油化工等領域，人們對一些特大型設備整體吊裝的要求不斷提高，超大型環軌起重機逐漸進入吊裝領域人員的視野[1-2]。對起重機起重量及起升高度的要求不斷提高，給臂架的承載能力和穩定性帶來了極大挑戰。[3]為滿足10000t吊載需求，本文設計了一種萬噸級超大型環軌起重機的模塊化組合臂架。

該產品整體為“人字形”雙支腿結構[4]，每個支腿均由四組標準節組成，并在變幅平面、回轉平面的標準節間設計有縱向連接節、橫向連接節等結構。基于理論和有限元分析方法[5]，不斷優化臂架結構和臂節間新型連接結構，形成一種“類綴板+綴條”結構。該結構大大地增加了臂架的承載能力和穩定性，降低了臂重，減少了材料浪費。同時這種模塊化組合臂架的運輸性和組合性上也非常優秀，可集裝箱化運輸，運輸效率極高，并可靈活地從超大噸位臂架拆分為大噸位臂架。

1" "環軌起重機概述

10000t環軌起重機屬于國內首例超大型起重機，主要由組合臂架、人字架、轉臺、配重、運行機構和軌道等部件構成，如圖1所示。為應對其超強的起重性能，主臂采用“人字形”雙支腿組合臂架的結構形式[6]，每個支腿主要由四個標準節組成。

2" "組合臂架結構設計方法

2.1" " 臂架結構

“人字形”雙支腿結構的最短組合臂架示意如圖2所示，其橫截面A上弦桿分布示意如圖3所示，以x軸對稱為回轉平面，以y軸對稱為變幅平面，單支腿弦桿編號為1～16。

由于臂架在回轉平面的尺寸已定不變，下文主要研究在變幅平面內改變弦桿的分布，對臂架強度產生的有益效果。變幅平面內設計了兩種臂架弦桿分布方案，結構如圖4所示，其中Hw相同，h_b1＞h_b2，下文將這兩種臂架簡稱為臂架Ⅰ、臂架Ⅱ。

2.2" " 弦桿分布條件

在臂架截面上32根弦桿均采用相同規格和材料的前提下，盡量讓弦桿最大應力逼近許用應力，可減少材料浪費，提高弦桿應力使用率。由整機構造決定的寬度B已定不變，弦桿最大受力計算公式見式（1）。弦桿最大應力計算公式見式（2）。由式（1）、（2）可知，外側弦桿受力最大，應力使用率大于內側的弦桿。

2.3" " 弦桿分布條件有限元驗證

為驗證節弦桿分布規律，對簡化的臂架Ⅰ、臂架Ⅱ進行10000t吊載工況有限元分析。從分析結果中提取的各弦桿軸向力見表1，其中拉力為正值，壓力為負值。從表1可知，普遍外側弦桿的軸向力要大于內側弦桿的，臂架Ⅱ與臂架Ⅰ的軸向合力基本相等。但其在各弦桿上的分布趨勢不同，相對臂架Ⅰ，臂架Ⅱ外側弦桿上的軸向力有所減小，彎矩引起的軸向力為壓力時，內側弦桿的軸向力有所增加。

3" "組合臂架加強結構分析

3.1" " 有限元模型及計算工況

相對臂架Ⅰ，臂架Ⅱ的總慣性矩得到提高，但其標準節的慣性矩卻有所下降，即單肢的性能下降，因此決定對于臂架Ⅱ進行深入研究。對其局部結構進行加強[7]，建立了兩種簡化的有限元模型臂架Ⅱ-a、臂架Ⅱ-b，其典型局部結構的有限元模型如圖5a、5b所示。臂架Ⅱ-a標準節中間沒有斜撐長腹桿，且連接節的結構較強，臂架Ⅱ-b標準節中間增加了斜撐長腹桿，且連接節的結構較弱。

利用臂架有限元分析計算了10000t吊載和最長臂起臂兩種工況，具體見表2。

3.2" " 分析結果

臂架Ⅱ-a、臂架Ⅱ-b兩種工況的強度、變形和穩定性分析結果分別如圖6、圖7所示，去除臂架過于簡化的兩端結構，由最大吊載工況1的分析結果對比分析可知，相對于臂架Ⅱ-a，臂架Ⅱ-b的應力下降了19%，變形減小了25%，穩定性系數增大了64%。在最長臂起臂工況2時，臂架Ⅱ-b的優勢體現的更加明顯。此時臂架Ⅱ-a的應力和變形均極差，無法成功起臂，但優化為臂架Ⅱ-b后，臂架的應力和變形均急劇減小，分別減小了60%和51%，可成功起臂。

臂架Ⅱ-b是在臂架Ⅱ-a的基礎上，將標準節之間的縱向、橫向連接節結構減弱，增加了斜撐長腹桿，構成一種“類綴板+綴條”結構，在保證較高的臂架總慣性矩的同時，提高了單肢的性能。采用組合臂架Ⅱ-b這種結構形式，可更充分的利用弦桿的性能，在明顯降低臂架重量、減少材料浪費的同時，還提高了臂架的承載能力。

4" "結論

本文結合理論和有限元分析方法，對萬噸級超大型環軌起重機的模塊化組合臂架展開了設計與研究，得到結論如下：

設計了一種“人字形”雙支腿結構的模塊化組合臂架，很好地滿足了10000t吊載需求，其每個支腿均由4組標準節組成，并在變幅平面的標準節間設計有縱向連接節、斜撐長腹桿，回轉平面設計有橫向連接節等結構。這種“類綴板+綴條”結構可顯著提高臂架的承載能力和穩定性，降低臂重。模塊化組合式的臂架可集裝箱化運輸，效率極高，亦可根據吊載需求組合成10000t或5000t的臂架。

盡量將臂架內側的弦桿向外側布置，可提高臂架在變幅平面內的總慣性矩、增加內側弦桿的應力使用率，同時因標準節的慣性矩減小，在其之間增加斜撐長腹桿，可進一步提高單肢的性能。

本文通過理論和有限元分析方法，既提出了一種滿足萬噸級吊載需求的超大型環軌起重機的模塊化組合臂架，也為其他具有超大吊載需求的臂架設計提供了一種設計與校核方法，可作為相關產品的設計研究的可靠依據。

參考文獻

[1] 張劍.環軌起重機國內外發展歷程及應用現狀[J].建筑機械，2021（6）：9-13.

[2] 劉峰.中國發展環軌式起重機的必要性論述[J].石油化工建設，2017（6）：45-46.

[3] 周奇才，張許輝，趙炯，等. 2500t環軌起重機主臂架的優化設計[J].中國工程機械學報，2015，13（1）：49.

[4] 高順德，徐振東，徐金帥，等.環軌起重機主臂拓撲優化與算法改進[J].起重運輸機械，2021（20）：78-83.

[5] 周奇才，張許輝，李文軍，等.2500t環軌式起重機有限元參數化建模與分析[J].中國工程機械學報，2014.12（1）：23-27.

[6] 田青益，鄭亞輝，徐金帥，等.大型起重機組合臂架連接方式的有限元分析[J].工程機械與維修（增刊），2021（6）：117-118.

[7] 熊肖磊，李文軍，張許輝，等.大型組合臂架桁架式加強結構的設計與研究[J].中國工程機械學報，2013，11（6）：529-533.