大噸位起重機超起預緊力計算方法研究

姜成武，張金虎，溫正方

（1.三一海洋重工，廣東珠海　519000；2.三一重工，湖南長沙　410600）

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大噸位起重機超起預緊力計算方法研究

姜成武1，張金虎2，溫正方1

（1.三一海洋重工，廣東珠海519000；2.三一重工，湖南長沙410600）

摘要：超起裝置是大噸位起重機的關鍵部件之一。如何更好地發揮超起作用，從而提升起重性能，成為工程機械重要的研究方向。而影響超起作用因素之一的超起預緊力的計算就顯得尤為關鍵，文章對兩種預緊力計算方法進行試驗及分析，確定出較理想的計算方法。

關鍵詞：超起裝置；預緊力；懸鏈線；計算方法；大噸位起重機

汽車起重機技術向著超大噸位的方向發展，對起重機性能的追求主要體現在更長，更高，更重等方面。但是當起重臂臂長增長時，起重臂自身的重量就會相應增加，撓度增大，吊重時吊臂受力情況惡劣，使起重能力因受起重臂撓度和承載力的限制而大幅度減小，嚴重制約了起重臂起重性能的發揮。大噸位起重機為克服起重臂自重影響，減小下撓彎矩，提升起重臂性能，增加了一種改善起重臂受力狀況的超起裝置，超起裝置能提供反向彎矩及側向穩定性，極大地提高了起重臂的吊重性能。

1　超起裝置的工作原理分析

（1）超起裝置工作原理。超起裝置一般設置在起重臂的一節臂上，如圖1所示，主要有左、右兩根桅桿，超起卷揚、鋼絲繩、預緊油缸、后拉板等組成。工作時，超起的左、右桅桿與起重臂垂直，兩桅桿之間的夾角通過左、右展開油缸可以改變。超起的前拉點鉸接于起重臂臂頭，前拉點與桅桿之間通過鋼絲繩連接。后拉點通過拉板鉸接于臂尾。起重臂伸縮時，利用超起卷揚收、放鋼絲繩，當伸到工作臂長時，卷揚鎖死，通過預緊油缸行程，拉緊鋼絲繩，利用鋼絲繩的張緊力，對起重臂施加反向力矩，減小起重臂的撓度。吊重時，由于鋼絲繩、桅桿及后拉板的作用，鋼絲繩拉力增加，反向力矩增加，起重臂的吊重性能提升，中、長臂段提升效果尤其顯著。

圖1　超起裝置圖

（2）超起裝置受力分析。超起裝置提升了起重臂的吊重性能，同時也改變了起重臂的受力狀態。增加超起裝置后，起重臂與超起組成超靜定結構，超起通過鋼絲繩預緊力對起重臂施加反作用力f1、f2，改變起重臂的受力方式，減小起重臂彎曲應力，減小起重臂的撓度，增加起重臂的軸向力，容易導致起重臂局部屈曲；超起桅桿與起重臂組成雙三角形結構，增加起重臂側向穩定性，但超起桅桿受到前鋼絲繩及后拉板的拉力，超起桅桿受力惡劣，而超起桅桿的力最終傳向一節臂，使一節臂局部受力增加。起重臂的吊重性能提升大小取決于超起裝置施加于鋼絲繩上的預緊力的大小，理論上，施加的預緊力越大，吊重性能提升越高。但起重臂所受的軸向力越大，起重臂受壓失穩的可能性越高。因此，如何計算超起鋼絲繩預緊力的大小，決定了起重臂性能的發揮水平。

2　超起預緊力計算方法

（1）有限元法計算超起預緊力。采用Patran仿真軟件模擬計算起重臂帶超起的鋼絲繩預緊力。超起鋼絲繩以桿單元模擬，彈性模量為鋼絲繩樣本所提供的值，施加載荷為起重臂自重及起重臂所帶吊鉤自重引起的載荷。以此條件計算，是假設起重臂、超起桅桿及鋼絲繩組成的三角形結構初始為穩定無變形結構，即起重臂無下撓，而起重臂自重及吊鉤重量所產生的力必然導致起重臂下撓，超起鋼絲繩前拉點發生位移，此時鋼絲繩伸長變形，產生拉力，起重臂下撓越大，鋼絲繩拉力越大，直到二者產生新的平衡。再此達到平衡狀態后，鋼絲繩上拉力為理論上超起克服起重臂及吊鉤自重而產生的變形所需要的預緊力，利用這種方法計算的預緊力實際并未完全消除起重臂下撓變形，超起的作用并未發揮到最大，實際上超起施加更大的預緊力可以完全消除起重臂下撓變形，甚至發生反變形。因此這種計算方法雖然解決了超起預緊力計算的問題，但計算結果會偏小。

（2）懸鏈線法計算超起預緊力。以鋼絲繩超起桅桿懸掛點為坐標原點，fx是指鋼絲繩上任意處與懸臂的鉛垂距離，l0為鋼絲繩兩懸掛點的水平距離，h為鋼絲繩兩懸掛點的鉛垂距離，γ為鋼絲繩與水平方向的夾角。超起鋼絲繩可以視為無集中載荷的懸索結構，因此，無集中載荷時此種懸索結構的鋼絲繩的張緊力按下式計算：

n0為中央撓度系數，n0=fx/ l0

n0與鋼絲繩的張緊程度有關。如何確定超起鋼絲繩的中央撓度系數成為計算超起鋼絲繩張緊力的關鍵。通過上式，我們可以得到任意x處鋼絲繩的張力，對于超起鋼絲繩，最關心的是最大張力，最大張力即為B點，此時x= l0，代入上式，得到鋼絲繩最大張力為：

根據公式（2）可知，只要知道鋼絲繩在超起預緊后的下撓量，就知道中撓度系數n0，從而求出此時鋼絲繩的最大張緊力Tmax，即為此臂段下超起預緊力。

在主臂截面方向的平衡關系為：

其中G'為G轉化至臂頭的等效力。

以2～n節臂為研究對象，受力分析如圖2所示。

圖2　受力分析圖

3　計算結果試驗對比

以某公司大噸位起重機為例，超起鋼絲繩為38mm，修正系數為k=1.7，選取部分工況分別對有限元計算預緊力結果及懸鏈線法計算結果進行對比。試驗結果如表1所示，其中預緊力1為有限元計算所得的預緊力，預緊力2為懸鏈線法計算所得預緊力（說明：試驗時應力測試點比較多，限于篇幅只列出具有代表性的某一測試點的應力）。

表1　試驗結果

4　結語

本文對兩種超起預緊力計算方法進行了試驗對比，對比結果顯示，有限元法計算超起預緊力偏小，起重臂應力偏大，沒能完全發揮超起的作用；采用懸鏈線法計算超起預緊力更符合實際情況，起重臂應力減小，更有效地發揮了超起的作用。

參考文獻

［1］周新年.架空索道理論與實踐［M］.北京：中國林業出版社，1996.

［2］姚澤華，張有忱.滑索張緊力的拋物線計算方法［J］.中國安全科學學報，2004.

Study on the Calculation Method of Large Tonnage Crane Lifting Pre-tightening Force

JIANG Cheng-wu1，ZHANG Jin-hu2，WEN Zheng-fang1
（1.Trinity Marine heavy industry，Guangdong，Zhuhai 519000，China；2.Sany Heavy Industry，Changsha，Hunan 410600，China）

Abstract:The litfting device is one of the key components of large tonnage crane.How to improve lifting performance becomes an important research direction of engineering machinery.Thus，one of the factors that influences the lifting work is the calculation of the pretightening force.In this paper，the two calculation methods of pretightening force were tested and analyzed，and the ideal calculation method was confirmed.

Key words:Lifting device; pretightening force；Catenary；calculation method; Large tonnage crane

作者簡介：姜成武（1981-），男，湖北棗陽人，碩士，主要研究方向：工程機械。

收稿日期：2016-01-16

中圖分類號：TH21

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0039-02