双变幅桅杆起重机设计分析与优化
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摘 要：文章介绍了应用于高层建筑吊装施工的双变幅桅杆起重机的设计、分析与优化过程。在考虑内陆自然环境的情况下，建立其力学计算模型、对各部件进行选型、利用ANSYS有限元分析软件分别模拟了优化前后不同工况下结构应力和变形。计算结果表明，双桅杆起重机最大应力与应变点在桅杆顶部，吊耳与钢索连接处以及变幅桅杆和底座连接处的应力和应变较大，其余部分应力和应变很小，对应力与应变较大的部分进行优化后的结构符合不同工况下的强度要求。
关键词：高层建筑;双变幅桅杆起重机;设计;力学计算模型;有限元分析;优化
中图分类号：TH218 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）06-0005-05
Abstract： This paper details the design and optimization of a Double luffing mast crane for high-rise building. The analysis utilizes ANSYS Finite Element Method （FEM）to predict the stress and deformation of the individual structure components. The simulation results show that the maximum stress and deformation of the crane occur on the top of the mast.Large stress and deformation exists at the junction of crane and steel cable， and also at the connection between the luffing mast and the base of the crane. After structural optimization， the structure of the crane can meet the strength requirement under different loading conditions.
Keywords： high-rise building; double luffing mast crane; design; mechanical calculation model; Finite Element Method （FEM）; optimization
1 概述
隨着我国现代化进程的发展，我国的建筑也有着高层发展的趋势，与此同时，建设过程中的物资搬运以及建筑房顶空调等设备运输难度随之增大。因此高层建筑的吊装成为生产施工中的一个关键技术。而由于在高层建筑施工时的场地、交通等因素的限制，桅杆起重机是最常用的吊装工具。
桅杆式起重机在我国应用广泛，作为我国传统吊装设备有着特有的优势，但同时也存在着耗能高以及笨重的缺点[1-2]。同时我国桅杆式起重机并没有一套完善的设计标准，因此运用于工程中的设备存在着设计的不合理性[3]。从而，有限元分析软件运用于桅杆式起重机的设计优化是一个重要方式。例如肖浩等人利用有限元分析软件掌握了起重机回转过程中某些部件的受力变化，进一步优化了起重机结构[4]。
为此，本文以运用于高层建筑吊装施工的双变幅桅杆起重机为研究对象，以设备安全性为首要目标，同时力求节省工程材料做到轻量化，对双变幅桅杆起重机进行计算、设计、优化并利用Ansys分析软件对优化前后进行计算分析，得到安全可靠合理的材料选型与结构设计，为此类起重设备的设计提供一定的参考[5-10]。
2 系统组成
双变幅桅杆由两个反向的平行“三角拔杆”组成，分别为固定桅杆和变幅桅杆。固定桅杆利用楼层结构梁对其上下进行固定，通过“吊点牵引绳”变幅桅杆传递的水平拉力，提高固定桅杆的稳定性。变幅桅杆通过“横向缆风绳”和“跨接钢丝绳”防止变幅桅杆左右摆动。通过与楼面的“变幅铰接点”，现变幅桅杆可在交接点旋转。通过调节“变幅调节葫芦”对“变幅桅杆”进行变幅。如图1所示：
双变幅桅杆吊装机主要由承重桅杆、变幅桅杆、吊装扁担、滑轮组、导向滑轮、起重卷扬机等组成。
2.1 工况分析
根据工程实际要求拟定双变幅桅杆起重机主要参数如表1：
本文双变幅桅杆起重机工作环境以我国湘潭市为例：
（1）工作环境温度为-20℃～+40℃;
（2）起重机在内陆地区的工作风压不大于150Pa，非工作状态最大风压为600Pa，湘潭历史最大风力为6级，可知，风压为125Pa，10分钟平均风速Vp为11m/s;
（3）无易燃和/或易爆气体，粉尘等非危险场所;
（4）地震烈度：7级。
以上自然条件中，所知风压决定桅杆计算中分载的大小，影响桅杆的强度与稳定性，设计计算中应予以考虑。从风况、温度及地震烈度数据来看，对桅杆的设计影响不大，本设计忽略不计。
2.2 力学模型及外载荷计算
本文所述的外载荷为所有施加在起重机上的外力作用，包括重力、风力、吊装过程磕碰等带来的载荷。考虑到双变幅桅杆起重机的工作环境与工作特点，在本次计算中只考虑风力、动力以及起升所带来的载荷。双变幅桅杆示意图如图2所示：
由图2忽略次要载荷得到起重机的简化力学模型如图3所示。
图3中Pmax为起重机所能起吊的最大额定载荷，F1为变幅机构所提供的牵引力，Pw为风力带来的载荷，方向为侧面。 起重机外载荷中起升载荷是指被起吊重物的质量，包括最大有效物品、取物所用机构、钢丝绳起吊装置以及一些辅助装置的质量。此起重机的起升载荷可以表示为：取物装置重量，吊装扁担，两组静牵引滑轮组，两组动滑轮组。根据市面上常用配件进行选型计算载荷：
式（1）中：mQ为额定起重量的最大值;mZ为取物所用机构的最大值;m为取物过程辅助装置的重量;mS為吊装高度所用钢丝绳重量;g为当地的重力加速度。
考虑到双变幅桅杆起重机的工作环境常在于露天状态，所以必须考虑自然风所带来的载荷。在常规的起重机计算过程中，忽略风载荷的动力效应。并且在计算风载荷时，把不同方向吹过来的风考虑为对起重机影响最不利的方向，数值为最高且是常值。风对受风物体产生的风压主要与风速有关，可按下式计算：
计算风压的数值取空旷地区离地面高度10m处的风速来求。本次计算中工作状态的设计风速按即瞬时风速考虑，数值以内陆地区为参考计算风速和计算风压分别取16m/s、150N/m2， 重机吊运物品迎风面积的估算值取18m2。因此，作用在起重机和重物迎风面上的风载荷为：
PW=1.2AQP=1.2×18×150=3240N，由于起重机主桅杆安装于室内，变幅桅杆主体也在室内，故忽略风载荷对起重机的作用。
由于双变幅桅杆起重机中的变幅桅杆采用了铰链连接，只有绕一点转动的自由度，将双变幅桅杆起重机的计算简图如图4所示。
图4中集中载荷PQ=153574.82N为起升载荷的一半。
3 强度校验
双变幅桅杆起重机的有限元计算由ANSYS完成。根据前文所规定的载荷情况及载荷组合相符合，载荷的作用位置、作用方向以及起重机的自身状况（各部分相对位置、运动组合等），采用ANSYS14.0 Workbench对垂直运输的桅杆进行有限元分析，材料选择为钢结构（Structural Steel），其弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.3，进行网格划分后，对模型进行求解计算。考虑到优化前设计的不合理性，初选25T重物吊装高度为50m，桅杆产生的应力和应变如图5所示。
由图5可知，最大桅杆的应力为3.24×109Pa。由于双变幅桅杆起重机吊装30T重物，所以本文选用高强度钢材。查阅《低合金高强度结构钢（GB/T1591-2008）》，Q345钢的屈服极限σs为345N/mm2，抗拉强度σb为470-630N/mm2，根据载荷条件，选择的安全系数ns为1.18。Q345钢的基本许用应力，其值[σ]为233.11MPa，不符合强度要求。
4 应力和应变分析
鉴于上文强度校验不合格原因在于机构出现应力和应变较为集中的点，故改用吊装10T重物进行分析，结果如图6所示。
由图6可知，双变幅桅杆起重机的桅杆最大应力和位移点在桅杆顶部，吊耳与钢索连接处的应力和位移较大，变幅桅杆和底座连接处的应力和位移较大，其余部分应力和位移值很小。
5 优化及分析
基于上述双变幅桅杆起重机有限元分析结果，对其进行如下结构优化：
（1）增厚桅杆吊耳20 mm;
（2）改用更高强度钢Q420;
（3）连接底座旋转块由一个增加为3个;
（4）连接底座旋转块增厚10 mm;
（5）底座变幅桅杆固定锚板增厚10 mm。
为验证结构优化的效果，对其吊装25 T重物吊装高度为300m时进行有限元分析，桅杆产生的应力如图7所示：
由吊装25 T的桅杆应力云图可知，优化前出现的应力，应变集中现象得到明显改善，最大桅杆的应力为3.25×108Pa，以知Q420钢的屈服极限σs为420N/mm2，抗拉强度σb为520-680N/mm2，根据载荷条件，选择的安全系数ns为1.18，则[σ]为355.93 MPa（3.56×108Pa），所以符合强度要求。由此可见优化对起重机安全性有较大提升，满足了生产要求，优化结构是合理的。
6 结论
（1）双变幅桅杆起重机最大应力、应变点在桅杆顶部，分别为桅杆直径和壁厚小应力、应变处的9倍与10倍。
（2）双变幅桅杆起重机变幅桅杆和底座连接处以及吊耳与钢索连接点应力较大，数值约为小应变处10倍，是设计、优化过程考虑重点。
（3）通过增加应力、应变较大处工件厚度和旋转块的厚度，使双变幅桅杆起重机在吊装25 T重物吊装高度为300m工况下最大桅杆应力3.25×108 Pa<[σ]=355.93MPa，提供了一种双变幅桅杆起重机优化方式。
（4） 本文设计过程是一种从理论到模型到分析再到优化分析的过程，是一种明了有效的设计过程，为以后起重机的设计优化奠定了基础。
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