起重機臂架正向設計及發展趨勢探討

郭崇嵩

摘要：本文所研究的是一種塔式起重機臂架的正向設計方法。在設計過程中，把臂架看成一個與自身截面相等的結構，對其超靜定進行求解，根據等強度原則限制了弦桿的約束條件，建立了相應的數學模型，然后通過有限元分析來優化求解。第一次優化得到臂架結構，第二次優化得到變截面結構，且材料的分布更加合理。最后以所得參數進行了某一型號塔式臂架的正向設計，并簡要探討了塔式起重機臂架的研究方向。

關鍵詞：塔式起重機;臂架;正向設計;發展趨勢

0 ?引言

在當今的建筑工程之中，塔式起重機是一種廣泛應用的機械設備，只有保障臂架的使用質量和使用效率，才可以有效保障建筑工程的順利進行。對于臂架而言，通過類比試算來確定構件截面尺寸以及吊點位置的方法依然比較普遍，這種設計方法雖然可以讓臂架與施工需求相符合，但是應用這種方法的設計效率始終難以提升，型材浪費的問題也始終難以解決。本次就研究了塔式起重機臂架的正向設計方法，希望可以對臂架設計效率的提升和型材浪費問題的解決提供一定的幫助。針對行業動態提出了對于臂架結構設計發展趨勢的看法。

1 ?計算模型的建立

在雙吊點的塔式起重機之中，水平臂架是一個有著三角形橫截面的空間結構，吊臂的一端和塔身鉸接在一起，中間的位置用兩個拉桿懸吊起來，另一端就是懸臂。在進行正向設計的過程中，首先假設上下弦應用的都是方鋼，且有著相等的橫截面積。在這個起重機的起升平面之中，臂架屬于一次超靜定結構，它所承載的載荷不僅包括固定的載荷，也包括移動的載荷[1]。在起重機的回轉平面之中，我們可以將臂架看做懸臂梁，通過這個懸臂梁，可以承載回轉慣性力、起升鋼絲繩傾斜以及側向風載等情況下的所產生的水平方向的拉力。圖1就是其臂架的典型結構。

在圖1中，如果將型材自身的慣性矩忽略不計，則這個橫截面結構對于形心軸xc所產生的慣性矩可以是：

在以上的公式之中，起重機臂架的高度以及寬度分別用y1和x1來表示，下弦桿的橫截面積用S1來表示，上弦桿的橫截面積用S2來表示。

按照塔式起重機的相關技術標準，受力最大處為其幅度最大的位置，以及起重機的外跨中點以及內跨中點。雙吊點臂架屬于一個雙向壓彎形式的構件，為了讓機械性能得到充分利用，其外跨段、內跨段以及外伸段最大應力絕對值在典型的工況條件之下都可以基本相等，也就是與其強度需求基本相符，根據這一標準來對各個變量值進行設計，就可以讓臂架的應力得到合理分配[2]。同時，在設計過程中，只要計算出拉、壓力，就可以求出整個雙吊點水平臂架的結構內力。圖2就是其內力計算模型。

2 ?應力計算分析

在軸力、風載以及彎矩的作用之下，塔式起重機臂架結構的外跨段、內跨段、上弦桿、下弦桿以及懸臂段上的應力可以按照以下的公式來進行計算：

3 ?初步優化求解分析

在對臂架的等截面進行優化設計過程中，數學模型可以按照如下的方式進行描述：

3.1 變量的設計

在對臂架進行設計的過程中，首先應該對以下的幾個基本參數進行確定：其一是下弦桿截面積S1的確定，其二是上弦桿截面積S2的確定;其三是臂架架高y1的確定，其四是臂架架寬x1的確定;其五是外吊點到內吊點之間的距離b的確定，其六是內吊點到臂架根部鉸點之間距離a的確定，其七是塔帽高度h的確定，其八是內拉桿截面積S4的確定，其九是外拉桿截面積S3的確定。其設計變量的公式如下：X=[S1，S2，S3，S4，y1，x1，a，b，c，h，]T

3.2 目標函數的設計

在對臂架進行優化設計的過程中，主要的目標是使其實現輕量化。假設其上弦桿和下弦桿應該使用同樣的材料，并保障截面相同，所以其等價目標函數如下：

3.3 約束條件的設計

在這個臂架之中，結構件最大的應力一定要比材料所允許的應力小，并將等強度的設計作為設計目標。因為已經假設了上弦桿的截面和下弦桿的截面相等，所以在臂架的外跨段、內垮段以及懸臂段處于典型的工況之下最大應力不可能完全符合等強度要求。因此，在設計的過程中，裕度的初步選擇是在30%以下，所以約束條件如下：

在以上的公式之中，i=1，2，3，臂架的弦桿型材允許應力用[？滓]來表示，拉桿材料的允許應力用[？滓b]來表示，臂架長度用l來表示。

4 ?對塔式起重機臂架結構有限元的分析與優化

在進行塔式起重機的臂架結構正向設計過程中，為了有效實現其輕量化的目標，一定要通過變截面的方法對不同的臂段進行設計，需要用規格與截面參數都不同的型材對其外跨段、內跨段以及外伸段進行設計，特別是在進行弦桿的設計過程中，一定要通過變截面的技術來設計。所以在實際的設計過程中，設計人員可以根據之前算出的等截面臂架優化設計結果，從型材數據庫之中對相應的型材進行查找，并通過ANSYS系統來提供出一個APDL，這樣就可以建立起一套參數化的臂架有限元模型，通過這樣的方式，也就可以進一步優化這個臂架的結構參數，進而求出合理的變截面，然后進行其設計參數的合理設置。

在對臂架進行空間桁架結構的設計過程中，應該通過梁單元BEAM188模擬的形式來進行設計。在對臂架進行拉桿結構的設計過程中，應該通過桿單元LINK8模擬的形式來進行設計。在對臂架的起升機構、變頻機構、平衡重以及回轉機構等進行集中質量設計的過程中，應該通過將質量單元MASS21模擬施加在相應位置上的方式來進行設計，同時，在設計過程中，也應該將梁單元和質量控制單元之間進行耦合。在塔式起重機的塔身，與混凝土基礎之間互相連接的四個基礎節約束點應該通過固定約束的方法來進行設計。

在ANSYS系統之中建立起一個臂架的有限元模型，并進行參數化的加載，求解，再借助于ANSYS的命令，將與當前工況所對應的上弦桿最大應力以及下弦桿最大應力提取出來，最后再進入到優化模塊之中實現對設計變量的進一步優化。圖3就是通過這個系統進行機械臂優化設計的流程圖。

5 ?塔式起重機臂架結構發展趨勢探討

5.1 大噸位化

隨著裝配式建筑概念的提出和推廣，小噸位的起重機已經不能滿足市場需求，正逐步退出歷史舞臺，需要大噸位的臂架結構來實現更高的起重性能。

5.2 平頭化、動臂化

隨著行業的發展，除了本文所討論的拉桿式臂架，平頭式塔式起重機和動臂式塔式起重機臂架結構會占據越來越多的比例。

平頭式塔式起重機臂架力學模型更簡單，受力更明確，空間需求小，適合群塔作業;而針對城市建設，動臂式塔式起重機臂架結構擁有實現小幅度吊裝，回轉半徑小等優點。

5.3 模塊化設計

臂架經過正向設計為不同截面的桁架結構，在正向設計過程中，考慮模塊化和互換性，增加或減少一節臂架能夠快速實現市場主導的不同起重性能的臂架，縮短設計周期，快速占領市場，成為市場的風向標。

5.4 輕量化設計

輕量化設計是提升其起重性能最快速，最直接的方法之一，臂架結構的重量抵消掉了一部分起重性能，同等起重性能，臂架的重量較大，會導致平衡臂乃至塔身都需要提升一個規格，增加成本。輕量化設計的主要方法有：局部加強，高強鋼使用等等。

6  結束語

綜上所述，隨著工程行業不斷發展，塔式起重機的應用范圍越來越廣，而其臂架結構的質量對于起重機的工作質量起到決定性作用。因此，要想保障塔式起重機的工作效率與工作質量，使其在工程施工之中的應用優勢得以充分發揮，我們就應該對塔式起重機的臂架結構進行正向的優化設計。在設計過程中，通過對各個截面應力的控制，使其應力差達到最小，并以此作為約束條件來實現對臂架結構的優化設計，讓臂架結構實現輕量化，并進行相關設計模型的建立，通過參數有限元分析方法來實現兩次的優化設計。這樣才可以讓塔式起重機的臂架結構得到合理的正向設計，這對于塔式起重機應用效果的提升和工程行業的發展都十分有利。結合行業的發展和國家政策，探討了塔式起重機臂架發展趨勢，希望通過本次的設計與分析，可以對塔式起重機臂架結構的優化提供出一定的參考價值。

參考文獻：

[1]張楠，連香姣，姚圣卓，等.塔式起重機臂架裝置的優化設計[J].機械設計與制造，2019（9）：258-260.

[2]王波，韋何耕，張浩強.基于結構仿生的塔式起重機臂架優化設計初探[J].中國設備工程，2018（4）：128-129.

[3]吳青龍，周奇才，熊肖磊，等.塔式起重機臂架腹桿布局及尺寸優化設計[J].東北大學學報（自然科學版），2018（9）：1309-1314.