門座起重機(jī)臂架設(shè)計(jì)淺析

 

    1臂架結(jié)構(gòu)型式及選用門座起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)型式通常可分為兩種：一種是實(shí)體式，另一種是桁架式。

 

    實(shí)體式是指整個(gè)臂架主要為單根變截面箱型梁型式（），沒有復(fù)雜的桿系。實(shí)體式臂架由于結(jié)構(gòu)簡單、綣護(hù)方便，在小幅度的門座起重機(jī)上被廣泛地選用。九院過去幾十年所設(shè)計(jì)的大量門座起重機(jī)，幅度在40米左右的四連桿組合臂架式門座起重機(jī)，其臂架大多都是采用實(shí)體式。

 

    桁架式臂架包括圓管式桁架結(jié)構(gòu)和箱型大桿桁架結(jié)構(gòu)、以及兩種截面型式同時(shí)出現(xiàn)的混合結(jié)構(gòu)。圓管式桁架結(jié)構(gòu)的臂架（）多用在單臂架門座起重機(jī)中，因?yàn)閱伪奂荛T座起重機(jī)臂架較長，圓管式桁架結(jié)構(gòu)的臂架較其他型式的臂架重量輕，而且外觀顯得輕巧流暢。在北海船廠的兩臺(tái)單臂架門機(jī)設(shè)計(jì)中用戶就指定臂架為圓管式桁架結(jié)構(gòu)，這兩臺(tái)起重機(jī)*大吊重分別為32噸和45噸，*大幅度都為76米，其幅度之大在單臂架門機(jī)中也很少見。箱型大桿桁架的臂架（）多用在大幅度的四連桿門座起重機(jī)中，因?yàn)樵擃愰T座起重機(jī)的臂架受力較大，其箱型截面大都在1000*1000左右，用焊接的箱型結(jié)構(gòu)制造工藝性好，所以在大幅度的四連桿門座起重機(jī)中，較多選用箱型大桿桁架結(jié)構(gòu)型式的臂架。滬東、中華船廠的S4073、S4576和S4058門機(jī)，大連船廠的S4073和S4062門機(jī)，上海船廠的S4070門機(jī)，渤海船廠S3262門機(jī)，其臂架都為箱型大桿桁架結(jié)構(gòu)。這種型式的臂架自重優(yōu)勢(shì)介于圓管桁架式臂架和實(shí)體式臂架之間，箱型截面尺寸較大，工藝性好。借助力學(xué)分析軟件對(duì)箱型截面的尺寸確定相對(duì)容易，但箱型大桿連接處的節(jié)點(diǎn)處理較為困難。

 

    此外還有一種混合結(jié)構(gòu)的臂架（），其桁架桿中既有箱型截面的桿件，又有圓截面的桿件。上海船廠150噸杠桿滑輪組補(bǔ)償?shù)膯伪奂荛T機(jī)就采用這種混合結(jié)構(gòu)型式，這種結(jié)構(gòu)綜合了箱型截面桁架和圓管桁架的優(yōu)點(diǎn)，既能承受大載荷，又具有良好的工藝性。通過對(duì)臂架的有限元分析，將受力較小的箱型截面腹桿，在長細(xì)比滿足的條件下，用小截面鋼管代替，還減薄了箱型弦桿的板厚，使臂架前部的桁架部分重量減輕，從而使臂架整體重心向臂架根部移動(dòng)，可以減少平衡重。

 

    2設(shè)計(jì)要點(diǎn)**，對(duì)幅度較大的單臂架起重機(jī)，在臂架的設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用桁架式，尤其是對(duì)較長的受彎臂架。因?yàn)殍旒芙Y(jié)構(gòu)型式重量相對(duì)輕，迎風(fēng)面積小，這些特點(diǎn)對(duì)提高整機(jī)的穩(wěn)定性有很大的作用。

 

    第二，在桁架結(jié)構(gòu)的臂架中盡量采用圓管加節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)，也可采用圓管與箱型大桿組合的結(jié)構(gòu)型式。因?yàn)殍旒芙Y(jié)構(gòu)中腹桿一般受力較小，所以截面也較小，若采用焊接箱型結(jié)構(gòu)焊縫較多，同時(shí)細(xì)長的桿焊接變形控制較難。圓管加節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)就可以克服這些難點(diǎn)，工藝性也大大改善。

 

    第三，桿件連接處的節(jié)點(diǎn)處理要特別注意，連接既要可靠，又要有良好的工藝性。

 

    下面列舉幾種常見的節(jié)點(diǎn)處理方法。

 

    其一是大截面箱型弦桿與小截面箱型腹桿連接（），這種連接問題在于截面的尺寸大小兩個(gè)方向不同，而連接要求截面中心重合，因此小截面的腹桿與大截面的弦桿相交時(shí)，必須在弦桿內(nèi)襯小筋板。小筋板對(duì)準(zhǔn)腹桿箱型面板，同時(shí)與弦桿箱型截面的腹板焊接，以便將腹桿的力傳遞到弦桿上。

 

    其二是同樣截面的箱型桿連接（），只需在弦桿內(nèi)加橫隔板對(duì)準(zhǔn)腹桿的面板。另一個(gè)方向由于尺寸相同，面板自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。

 

    其三是圓型和箱型截面桿的連接（）。圖中，弦桿是箱型截面梁，腹桿是鋼管。

 

    水平和垂直的圓管夾一塊節(jié)點(diǎn)板直接焊接在弦桿上。其節(jié)點(diǎn)板要對(duì)準(zhǔn)箱型弦桿內(nèi)的橫隔板，并和面板開坡口焊接，圓管與面板和節(jié)點(diǎn)板只需單面角焊縫即可。斜的圓管采用如圖所示連接，圓管作45度對(duì)稱切角，中間夾節(jié)點(diǎn)板，切口處用橢圓形板封焊。

 

    在以上兩種節(jié)點(diǎn)處理中，凡有節(jié)點(diǎn)板處箱型弦桿內(nèi)都要有橫隔板或小筋板對(duì)準(zhǔn)，以保證腹桿的力傳遞到弦桿上，同時(shí)節(jié)點(diǎn)也有足夠強(qiáng)度。

 

    此外，節(jié)點(diǎn)板的布置要使箱型弦桿內(nèi)所需對(duì)準(zhǔn)的筋板盡量少。因此節(jié)點(diǎn)板與箱型弦桿內(nèi)的橫隔板應(yīng)在同一平面（），這樣只需一塊橫隔板即可對(duì)準(zhǔn)所有的節(jié)點(diǎn)板，制造簡化。

 

    2有限元分析臂架有限元分析中，計(jì)算常用ANSYS軟件。該軟件雖然很復(fù)雜，前處理也不太方便，但對(duì)臂架進(jìn)行力學(xué)分析只需用其一兩種單元即可，建模時(shí)只需畫關(guān)鍵點(diǎn)和直線，操作很簡單。但有其后處理功能強(qiáng)大，可以得到很多需要的結(jié)果。如單元的軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、以及兩力合成，節(jié)點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)方向的變位，畫出單元的應(yīng)力圖，生成臂架受力后的變形動(dòng)畫，此外還有約束處的支反力、臂架自重等。下面就運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)臂架進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)要注意的問銓，作些說明。

 

    **，單元類型的選擇。在門機(jī)的臂架中，桿件的截面都是對(duì)稱的圓截面或矩形截面，因此大都選用三維對(duì)稱梁單元BEAM4.在對(duì)箱型大桿桁架結(jié)構(gòu)臂架的分析中借助計(jì)算機(jī)，而采用手算，一般是將力學(xué)模型簡化為鉸接的桁架，這樣雖然可使計(jì)算大大簡化，但計(jì)算出的結(jié)果卻比剛接節(jié)點(diǎn)的要小。平時(shí)計(jì)算中都認(rèn)為按鉸接計(jì)算偏于安全，所以在手算中經(jīng)常采用。在ANSYS軟件中有對(duì)應(yīng)的link8三維桿單元，建模也是畫關(guān)鍵點(diǎn)和直線，劃分網(wǎng)格后自動(dòng)生成鉸接的節(jié)點(diǎn)。但實(shí)際情況是由于桿件的自重，在鉸接計(jì)算模型中都加到節(jié)點(diǎn)上，而沒有接均布載荷加到桿件上；還有因桿件偏心以及受力后變形引起的附加彎矩等種種因素，導(dǎo)致剛接節(jié)點(diǎn)模型計(jì)算出的應(yīng)力比鉸接節(jié)點(diǎn)模型計(jì)算出的應(yīng)力大，約大20%左右。簡化為剛性節(jié)點(diǎn)的模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)更吻合，所以應(yīng)采用剛節(jié)點(diǎn)的模型而不應(yīng)該采用鉸接節(jié)點(diǎn)模型。

 

    第二，建模中復(fù)雜部分處理方法。在建模時(shí)常遇到臂架鉸點(diǎn)、頭部或根部等桿件不清晰處，這些地方都是較大的箱型或中間開孔較多，沒有清晰的桿件中心可取，因此要建立與實(shí)際很接近的模型是很費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。而對(duì)臂架的有限元分析關(guān)鍵在于得出*優(yōu)的截面尺寸，很快的確定出臂架的*大應(yīng)力和估算出重量；至于局部細(xì)節(jié)要在施工圖中才能*后確定；所以沒有必要建出細(xì)部的真實(shí)模型。在建模時(shí)只要定好桿件中心的位置，以及各桿件中心交點(diǎn)的準(zhǔn)確位置即可。至于局部處就用比一般桿件截面特性大一兩倍的數(shù)值賦以其截面特性。這樣既能減少建模工作量，又能使桿件部分的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果更趨于真實(shí)。還有根據(jù)分析的側(cè)重點(diǎn)不同，在建模時(shí)要靈活運(yùn)用。如對(duì)上海船廠150門機(jī)臂架（）分析時(shí)，就只對(duì)臂架前部桁架部分進(jìn)行分析。臂架根部箱型結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，建模難度大，而對(duì)前部桁架的分析影響不大；所以就取前部桁架進(jìn)行分析，約束桁架根部四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是六個(gè)自由度全約束，這跟臂架實(shí)際受力情況相同。附150噸門機(jī)臂架模型圖和應(yīng)力結(jié)果圖，見和0.0