2 000 t港口固定式桅桿起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)研究

吳榮土 趙金鵬 李鵬舉 梁 昊

山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司

1 引言

隨著港口設(shè)備業(yè)務(wù)的不斷拓展，重件碼頭1 000 t以上的大件裝卸作業(yè)持續(xù)增加，千噸級(jí)港口固定式桅桿起重機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)。為滿足超大、超重構(gòu)件的吊裝作業(yè)，桅桿起重機(jī)的工作幅度和起升高度都在50 m以上，因此桅桿起重機(jī)的臂架為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為提高其整體穩(wěn)定性，一般采用A型雙臂結(jié)構(gòu)[1](見圖1、圖2)。

圖1 桅桿起重機(jī)簡(jiǎn)圖

圖2 雙主臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 臂架結(jié)構(gòu)類型

桅桿起重機(jī)的臂架由主臂和副臂組成，主臂一般采用A型三角布置的雙臂結(jié)構(gòu)，根據(jù)構(gòu)造類型不同分為格構(gòu)式臂架和實(shí)腹式臂架(見圖3、圖4)。在臂架頭部和根部分別設(shè)置橫梁，同時(shí)在2個(gè)單臂之間設(shè)置1組或多組連梁，以提高單臂的側(cè)向(以下稱為回轉(zhuǎn)平面)穩(wěn)定性[2]。

1.根部橫梁 2.單臂 3.連梁 4.頭部橫梁

圖4 實(shí)腹式主臂簡(jiǎn)圖

3 臂架計(jì)算工況

桅桿起重機(jī)設(shè)置有主鉤和副鉤，其中主鉤又有最大額定起重量和第二額定起重量之分，需要對(duì)臂架各種工況進(jìn)行計(jì)算和分析。以2 000 t桅桿起重機(jī)臂架為例，主鉤工況最大工作幅度50 m，主臂長(zhǎng)度70 m，臂架計(jì)算工況見表1。

表1 臂架計(jì)算工況

4 臂架受力分析

A型三角雙臂臂架在變幅平面為兩端簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，在回轉(zhuǎn)平面為懸臂結(jié)構(gòu)。單臂和弦桿在2個(gè)平面為兩端簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。在變幅平面，相對(duì)整體雙臂，其單臂的計(jì)算長(zhǎng)度更長(zhǎng)，軸壓力更大，單臂先于整體雙臂失穩(wěn)，因此僅校核單臂的整體穩(wěn)定性即可；在回轉(zhuǎn)平面，雙臂中2個(gè)單臂間距較大，雙臂不會(huì)先于單臂失穩(wěn)，因此僅校核單臂的整體穩(wěn)定性即可[3-5]。

變幅平面臂架的受力圖和內(nèi)力圖見圖5，變幅平面的單臂計(jì)算中，根據(jù)規(guī)范將單臂自重分為兩部分，一部分按線性載荷均布加載到單臂中，使單臂產(chǎn)生彎矩；另一部分以集中力的形式加載到單臂兩端，使單臂產(chǎn)生軸力[6]。

圖5 變幅平面臂架的受力圖和內(nèi)力圖

桅桿起重機(jī)設(shè)置的副臂，使整體臂架形成折臂結(jié)構(gòu)。計(jì)算中，應(yīng)考慮副臂和副鉤定滑輪組等附屬結(jié)構(gòu)對(duì)主臂的影響，將副臂的載荷轉(zhuǎn)化到單臂上，變幅平面副臂對(duì)單臂產(chǎn)生的彎矩與單臂自重產(chǎn)生的彎矩方向相反，因此副臂對(duì)單臂起減載作用。

變幅平面內(nèi)，由于吊物豎直力軸線與變幅拉板變幅力軸線的鉸點(diǎn)可能不在主臂形心軸線上，會(huì)對(duì)主臂產(chǎn)生附加彎矩。該附加彎矩從主臂頭部到主臂根部逐漸減小為零，并且隨主臂仰角的變化而變化，這里不計(jì)此附加彎矩作用[7]。實(shí)際設(shè)計(jì)中，在最大額定重量對(duì)應(yīng)的最大幅度工況(即最危險(xiǎn)工況)，可將該鉸點(diǎn)設(shè)置在主臂形心軸線上。當(dāng)臂架處于最大仰角時(shí)(即最大額定起重量對(duì)應(yīng)的最小幅度工況)，該鉸點(diǎn)就位于主臂形心軸線的下方，與副臂產(chǎn)生的彎矩方向相同。該工況下臂架的危險(xiǎn)截面在主臂的頭部位置(見圖6)。

1.變幅力軸線 2.主臂形心軸線 3.合力鉸點(diǎn)到主臂根部鉸點(diǎn)軸線 4.吊物豎直力軸線

臂架承受的風(fēng)載荷一般加載在回轉(zhuǎn)平面，這里忽略不計(jì)。回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，在起升繩水平側(cè)向偏擺力的作用下，連梁位置的單臂及其弦桿承受較大的端彎矩作用，弦桿并非兩端簡(jiǎn)支受力結(jié)構(gòu)[8]。如圖7所示，在起升繩水平側(cè)向偏擺力F的作用下，兩側(cè)單臂產(chǎn)生軸力，距離臂架根部越近軸力越大；同時(shí)在連梁位置，單臂和連梁的內(nèi)部產(chǎn)生局部附加彎矩作用。

圖7 回轉(zhuǎn)平面臂架的受力圖和內(nèi)力圖

變幅平面，在彎矩作用下，臂架危險(xiǎn)截面在單臂頭部或單臂中部附近[9]。回轉(zhuǎn)平面，在側(cè)向偏擺力和風(fēng)載荷作用下，臂架危險(xiǎn)截面在連梁位置或主臂底段附近。

5 臂架對(duì)比分析

5.1 臂架形式與參數(shù)

圓管格構(gòu)式單臂和板梁實(shí)腹式單臂截面簡(jiǎn)圖見圖8，主起升定滑輪到主臂軸線距離和變幅拉板鉸點(diǎn)到主臂軸線距離相等，取1.5 m。單臂截面尺寸見表2。

圖8 單臂截面簡(jiǎn)圖

表2 單臂截面尺寸

5.2 臂架彎矩計(jì)算

以實(shí)腹式主臂為例，最大額定起重量對(duì)應(yīng)的最大幅度工況和最小幅度工況下，變幅平面主臂各危險(xiǎn)截面的彎矩組成(見表3)。

表3 變幅平面主臂各危險(xiǎn)截面彎矩的組成

由表3可知，變幅平面內(nèi)，最小幅度工況下，偏心附加彎矩對(duì)主臂的彎矩影響較大，且最大彎矩發(fā)生在主臂頭部。

5.3 臂架穩(wěn)定性計(jì)算

選取臂架中部截面為危險(xiǎn)截面，對(duì)其單臂的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析(見表4)。根據(jù)計(jì)算，軸力產(chǎn)生的穩(wěn)定應(yīng)力最大，約占60%，變幅平面彎矩產(chǎn)生的穩(wěn)定應(yīng)力約占25%。由于圓管格構(gòu)式單臂的自重較輕，變幅平面自重彎矩產(chǎn)生的穩(wěn)定應(yīng)力占比相對(duì)較小，軸力產(chǎn)生的穩(wěn)定應(yīng)力占比相對(duì)較大。

表4 內(nèi)力產(chǎn)生的穩(wěn)定應(yīng)力占比情況

5.4 對(duì)比分析結(jié)果

格構(gòu)式圓管結(jié)構(gòu)臂架自重較小，圓管節(jié)點(diǎn)容易疲勞，但迎風(fēng)面積小，抗風(fēng)能力強(qiáng)；實(shí)腹式板梁結(jié)構(gòu)臂架易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，抗疲勞性能相對(duì)較好，但臂架自重較大，兩種臂架的異同見表5。

表5 臂架的異同

6 結(jié)語(yǔ)

介紹了2 000 t港口固定式桅桿起重機(jī)臂架的結(jié)構(gòu)類型和構(gòu)造特點(diǎn)，針對(duì)常用的俯仰式臂架，給出A型雙臂臂架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)；介紹了A型雙臂臂架的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和流程，闡述格構(gòu)式圓管結(jié)構(gòu)和實(shí)腹式板梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)差異，兩者各有其特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取臂架類型；變幅平面在彎矩作用下，臂架危險(xiǎn)截面發(fā)生在單臂頭部或中部附近；回轉(zhuǎn)平面在側(cè)向偏擺力和風(fēng)載荷作用下，臂架危險(xiǎn)截面發(fā)生在連梁位置和主臂底段附近，同時(shí)分析受壓和受彎情況，給出各載荷對(duì)臂架整體穩(wěn)定應(yīng)力的影響。