门座起重机臂架设计浅析

 

    1臂架结构型式及选用门座起重机臂架结构型式通常可分为两种：一种是实体式，另一种是桁架式。

 

    实体式是指整个臂架主要为单根变截面箱型梁型式（），没有复杂的杆系。实体式臂架由于结构简单、绻护方便，在小幅度的门座起重机上被广泛地选用。九院过去几十年所设计的大量门座起重机，幅度在40米左右的四连杆组合臂架式门座起重机，其臂架大多都是采用实体式。

 

    桁架式臂架包括圆管式桁架结构和箱型大杆桁架结构、以及两种截面型式同时出现的混合结构。圆管式桁架结构的臂架（）多用在单臂架门座起重机中，因为单臂架门座起重机臂架较长，圆管式桁架结构的臂架较其他型式的臂架重量轻，而且外观显得轻巧流畅。在北海船厂的两台单臂架门机设计中用户就指定臂架为圆管式桁架结构，这两台起重机*大吊重分别为32吨和45吨，*大幅度都为76米，其幅度之大在单臂架门机中也很少见。箱型大杆桁架的臂架（）多用在大幅度的四连杆门座起重机中，因为该类门座起重机的臂架受力较大，其箱型截面大都在1000*1000左右，用焊接的箱型结构制造工艺性好，所以在大幅度的四连杆门座起重机中，较多选用箱型大杆桁架结构型式的臂架。沪东、中华船厂的S4073、S4576和S4058门机，大连船厂的S4073和S4062门机，上海船厂的S4070门机，渤海船厂S3262门机，其臂架都为箱型大杆桁架结构。这种型式的臂架自重优势介于圆管桁架式臂架和实体式臂架之间，箱型截面尺寸较大，工艺性好。借助力学分析软件对箱型截面的尺寸确定相对容易，但箱型大杆连接处的节点处理较为困难。

 

    此外还有一种混合结构的臂架（），其桁架杆中既有箱型截面的杆件，又有圆截面的杆件。上海船厂150吨杠杆滑轮组补偿的单臂架门机就采用这种混合结构型式，这种结构综合了箱型截面桁架和圆管桁架的优点，既能承受大载荷，又具有良好的工艺性。通过对臂架的有限元分析，将受力较小的箱型截面腹杆，在长细比满足的条件下，用小截面钢管代替，还减薄了箱型弦杆的板厚，使臂架前部的桁架部分重量减轻，从而使臂架整体重心向臂架根部移动，可以减少平衡重。

 

    2设计要点**，对幅度较大的单臂架起重机，在臂架的设计中优先选用桁架式，尤其是对较长的受弯臂架。因为桁架结构型式重量相对轻，迎风面积小，这些特点对提高整机的稳定性有很大的作用。

 

    第二，在桁架结构的臂架中尽量采用圆管加节点板结构，也可采用圆管与箱型大杆组合的结构型式。因为桁架结构中腹杆一般受力较小，所以截面也较小，若采用焊接箱型结构焊缝较多，同时细长的杆焊接变形控制较难。圆管加节点板结构就可以克服这些难点，工艺性也大大改善。

 

    第三，杆件连接处的节点处理要特别注意，连接既要可靠，又要有良好的工艺性。

 

    下面列举几种常见的节点处理方法。

 

    其一是大截面箱型弦杆与小截面箱型腹杆连接（），这种连接问题在于截面的尺寸大小两个方向不同，而连接要求截面中心重合，因此小截面的腹杆与大截面的弦杆相交时，必须在弦杆内衬小筋板。小筋板对准腹杆箱型面板，同时与弦杆箱型截面的腹板焊接，以便将腹杆的力传递到弦杆上。

 

    其二是同样截面的箱型杆连接（），只需在弦杆内加横隔板对准腹杆的面板。另一个方向由于尺寸相同，面板自动对准。

 

    其三是圆型和箱型截面杆的连接（）。图中，弦杆是箱型截面梁，腹杆是钢管。

 

    水平和垂直的圆管夹一块节点板直接焊接在弦杆上。其节点板要对准箱型弦杆内的横隔板，并和面板开坡口焊接，圆管与面板和节点板只需单面角焊缝即可。斜的圆管采用如图所示连接，圆管作45度对称切角，中间夹节点板，切口处用椭圆形板封焊。

 

    在以上两种节点处理中，凡有节点板处箱型弦杆内都要有横隔板或小筋板对准，以保证腹杆的力传递到弦杆上，同时节点也有足够强度。

 

    此外，节点板的布置要使箱型弦杆内所需对准的筋板尽量少。因此节点板与箱型弦杆内的横隔板应在同一平面（），这样只需一块横隔板即可对准所有的节点板，制造简化。

 

    2有限元分析臂架有限元分析中，计算常用ANSYS软件。该软件虽然很复杂，前处理也不太方便，但对臂架进行力学分析只需用其一两种单元即可，建模时只需画关键点和直线，操作很简单。但有其后处理功能强大，可以得到很多需要的结果。如单元的轴向应力、弯曲应力、以及两力合成，节点在三个坐标方向的变位，画出单元的应力图，生成臂架受力后的变形动画，此外还有约束处的支反力、臂架自重等。下面就运用ANSYS软件对臂架进行力学分析时要注意的问铨，作些说明。

 

    **，单元类型的选择。在门机的臂架中，杆件的截面都是对称的圆截面或矩形截面，因此大都选用三维对称梁单元BEAM4.在对箱型大杆桁架结构臂架的分析中借助计算机，而采用手算，一般是将力学模型简化为铰接的桁架，这样虽然可使计算大大简化，但计算出的结果却比刚接节点的要小。平时计算中都认为按铰接计算偏于安全，所以在手算中经常采用。在ANSYS软件中有对应的link8三维杆单元，建模也是画关键点和直线，划分网格后自动生成铰接的节点。但实际情况是由于杆件的自重，在铰接计算模型中都加到节点上，而没有接均布载荷加到杆件上；还有因杆件偏心以及受力后变形引起的附加弯矩等种种因素，导致刚接节点模型计算出的应力比铰接节点模型计算出的应力大，约大20%左右。简化为刚性节点的模型与实际结构节点的性质更吻合，所以应采用刚节点的模型而不应该采用铰接节点模型。

 

    第二，建模中复杂部分处理方法。在建模时常遇到臂架铰点、头部或根部等杆件不清晰处，这些地方都是较大的箱型或中间开孔较多，没有清晰的杆件中心可取，因此要建立与实际很接近的模型是很费时费力的。而对臂架的有限元分析关键在于得出*优的截面尺寸，很快的确定出臂架的*大应力和估算出重量；至于局部细节要在施工图中才能*后确定；所以没有必要建出细部的真实模型。在建模时只要定好杆件中心的位置，以及各杆件中心交点的准确位置即可。至于局部处就用比一般杆件截面特性大一两倍的数值赋以其截面特性。这样既能减少建模工作量，又能使杆件部分的应力计算结果更趋于真实。还有根据分析的侧重点不同，在建模时要灵活运用。如对上海船厂150门机臂架（）分析时，就只对臂架前部桁架部分进行分析。臂架根部箱型结构很复杂，建模难度大，而对前部桁架的分析影响不大；所以就取前部桁架进行分析，约束桁架根部四个节点，每个节点都是六个自由度全约束，这跟臂架实际受力情况相同。附150吨门机臂架模型图和应力结果图，见和0.0