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1、臂架式起重机配重的精确计算雷洪林1 郑伟2周奇才3 周在磊31 昆明铁路局昆河铁路公司2 南京香港长江有限公司3 同济大学机械工程学院开远南京 上海661600210042201804摘 要: 为了精确计算出臂架式起重机的合理配重，从臂架式起重机配重的计算理论出发，以 2 500 t 环轨起重机为研究对象，利用 SAP2000、Auto CAD 和 Excel 软件进行仿真计算，提出一种基于有限元技术的精确计算 配重的方法，在计算得到配重质量的同时，得到起重机的承载状况。最后，对计算出的环轨起重机的配重进行 抗倾覆稳定性分析，验证了该计算方法是切实可行的。关键词: 臂架式起重机; SAP200
2、0; 配重; 稳定性中图分类号: TH213文献标识码: A文章编号: 1001 0785 ( 2012) 08 0027 05Abstract: To accurately calculate reasonable counter weight of jib crane，the paper discusses the calculation theoryof counter weight for jib crane，and with 2 500 t circular track crane as a research object，introduces an accurate calcula
3、- tion method based on finite element technology using SAP2000，Auto CAD and Excel. The mass of counter weight is figured out，so is load capacity of the crane. At last，the anti-overturning stability analysis is performed for the calculated counter weight of circular track crane，showing that the calcu
4、lation method is feasible.Keywords: jib crane; SAP2000; counter weight; stability表的臂架式起重机在生产建设、吊 装 施 工 等 领 域发挥了巨 大 的 作 用，这也在很大程 度 上 促 进 了 臂 架式起重机的飞速发展，一 些 超 大 吨 位 的 臂 架 式0引言近年来，以 履 带 起 重 机、环 轨 起 重 机 等 为 代设计人员可以提供更 多的起重机方案。例 如: 某一客户 在起重机使用中所吊运物件的种类 繁 多， 重量 差 异 较 大， 吊 运 距 离较长且空载比例接近 40% 或以上，使用 ASR 与 E
5、SR 交流电动机变频调 速新技术的优越性就大大地显露出来，节 能 提 效 的经济效益就非常明 显 了。当 然，在 设 计 时 必 须 考虑的环节和因素也相对较多，尤 其 是 相 应 减 速 器的承载能力和极限转速能否匹配。这种 ASR 与 ESR 新 技术目前仅用于起升机 构，应用于大车运行机 构也是很有必要的。因 为 随着时代的 发 展，越来越多的企业、厂 房、物 流 仓库、堆场等使用起重机的项目也越来越大型化， 例如，起重机大车运行机构的行走距离超过 100 m 或更长; 空载行走的频率接近 40% 或 以 上; 如 再 加上所吊运物件的种 类 繁 多，重 量 差 异 较 大，且 经常用于
6、吊运低于标定起重量 40% 及以下的物件。 这样，如果把 ASR 与 ESR 新技术应用于起重机大 车运行机构上，便可以极大地提高生产效率，也可以大量 地 节 省 能 源，以 此 角 度 考 虑 在 起 重 机 大车运行机构上进行开发应用类似 ASR 与 ESR 的新 技术， 是一个符合时代发展潮流的构想。 但 是， 由于小车行走距离 与 跨 度 有 关， 跨 度 距 离 有 限， 所以，小车运行应用 ASR 与 ESR 技术优越性就不 太明显。参考文献1 邓星钟机电传动控制 M武 汉: 华 中 科 技 大 学 出版社，2006.2 GB / T 38112008 起重机设计规范 S3 编写组
7、 GB / T 38112008起重机设计规范释义与 应用 M北京: 中国标准出版社，2008.4 FEM 1. 0011998 欧洲起重机设计规范S.作者地址:科尼起重机设备 ( 上海) 有限公司2003312012 02 17编:邮收稿日期: 27 起重运输机械 2012 ( 8)起重机应运而生，如英国 ALE 的 SK350 型 5 000 t滑轨起重机、三一重工 SCC86000TM 型 3 600 t 履 带起重机以及徐工 XGC28000 型 2 000 t 履带起重 机等1，2。这类起重机的共同特点就是采用高强度 臂架作为 承 载 结 构，并通过配重来作 为 平 衡 重 以 实现
8、整机稳定。随着起重机朝着超大吨位发展，起 重 机 的 起 重能力越来越大，为了保证起重机的整机稳定性， 配重的质 量也在不断增加， 如 利 勃 海 尔 LR13000 型 2 697 t 履带起重机在进行静载试验时，上车配 重和悬浮配重达到了 1 900 t 之巨，如此大的配重 也给起重机的结构带 来了更高的要求。但 是，在 起重机实际作业过程中，施 工 人 员 为 了 保 证 工 作 的绝对安 全，往 往 将 配 重 加 的 很 大，甚 至 超 过 了 结构所能 承 受 的 极 限，这样很容易对 起 重 机 的 钢 结构造成不可恢复的疲劳破坏3，4，不但给以后的 起吊作业留下安全隐患，也 对
9、 起 重 机 的 使 用 寿 命 有很大影 响。而 当 配 重 加 得 过 大 时，有 可 能 使 起 重机朝臂架的反方向倾转，丧失稳定性。为了保证起重机的起吊作业安全，同 时 尽 量 避免对起重机金属结构的疲劳破坏，计 算 合 理 的 起重机配重就显得尤为重要。使 用 不 同 理 论 所 计 算出的起重机配重有所差异，如 何 选 择 准 确 的 理 论方法，高 效、精 确 地 计 算出所需的配重是一个 值得深入 研 究 的 问 题。本文以大型臂 架 式 起 重 机 为研究对象，采用结构有限元软件 SAP2000，提供 了一种精确计算合理的起重机配重的方法。1. 轨道基础 2. 行走台车 3.
10、 主臂架 4. 吊具5. 塔头 6. 变幅系统 7. 撑杆架 8. 配重 图 1 环轨起重机示意图及其简化模型分析起重机的稳定力和倾覆力。将 这 些 力 对 起 重机的危险倾覆边取力矩，并 使 这 些 力 矩 的 代 数 和 满足以下条件d2d1M = PG3 d2 + PG2 2 ( 1. 5PQ + PG4 ) d1 PG1 2 0( 1)( 1)由式得最小配重为dd 1 2 ( 1. 5PQ + PG4 ) d1 + PG1 2 PG2 2( 2)PG3 =d2式中: 为主臂架自重，N; 为撑杆架自PPG1G2重，N; G3 为 配 重 的 重 量P，N; PG4 为 塔 头 及 吊 具
11、等的重量，N; 为吊重，N; 为塔头重心与倾PdQ1覆边的水平距离，m; 为配重重心与倾覆边的水d2平距离，m。将起重机的相关数据代 入 式 ( 2 ) ，计 算 得 到1传统计算方法大型臂架式起重机的结构种类很多，但 结 构该幅度下的配重重量 P 。但是在以上计算中，主G3臂架、撑杆 架、塔 头 等 部分的重量和重心均为估 计值，忽略 了 结 构 强 度，这样的计算过程经过简 化，计 算出的配重重量误差较大， 效 率 也 不 高。 更重要的 是，配 重 作 为一种特殊的负载，重 量 甚 至与吊重 相 当，对臂架结构承载时 的 强 度 和 稳 定 性影响很 大，而上述方法并不能反 映 其 对
12、起 重 机 金属结构的影响。表 1 环轨起重机起重特性表型式大体相同，本文研究以 2 500 t 环轨起重机为例。环轨起重机是一种新型超大吨位 的 臂 架 式 起 重机，其结构 形 式 和 组 成 如 图 1 所 示。通 过 变 幅 系统的作 用，环轨起重机可工作在不 同 幅 度 的 工 况下。不同的幅度下起 重机的起重量不同，其 起 重特性见表 1。在实际起吊作业中，起重机在不同 的幅度和起重量下工作时，必须配置相应的配重， 以平衡吊 重，保 证 起 重 机的整体稳定性，因 此 就 需要计算不同幅度下的配重。配重的传 统 计 算 中，根据起重机基本稳定性 的要求5，将作 用 载 荷 放 大
13、1. 5 倍，不 计 风 载 荷 和惯性 力 作 用， 考 虑 起 重机结构各部分的自重， 28 起重运输机械 2012 ( 8)幅度 / m1014182226起重量 / t2 5642 2802 0041 7361 4702配重的计算及实现SAP2000 是一款通用结构分析与设计软件，采用基于对象的有限元技术，重 新 定 义 了 有 限 元 技术的发展 水 平6。本 文 结 合 SAP2000 在 钢 结 构 和 起重机金属结构设计中的应用实践，利 用 其 强 大 的交互设计功能，考虑臂架式起重机的结构特点， 将其用于起重机配重的精确计算中，计 算 流 程 如 图 2 所示。在 自 动 计
14、 算 配 重 的 同 时，得 到 起 重 机 金属结构的承载状况。图 3 幅度 10 m 的起重机 SAP 模型载点7。根据起重机设计规范中配重计 算 的 要 求5， 取载荷组合为 1. 5LIVE，LIVE 即起重机的起重量， 不同幅度下的起重量 ( 见表 1) 加载于主臂架顶部 位置; 起重 机 钢 结 构 的 自 重，由程序自动计算并 均匀加载 于 起 重 机 钢 结 构 上。需 要 指 出 的 是，由 于附加在起重机结构上的销轴、电 缆 等 附 件 的 重 量并未考 虑 在 模 型 中，为 了 精 确 计 算，在 考 虑 结 构自重时定义了自重放大系数，由 软 件 自 动 计 算 得到
15、，从而对起重机模型的自重按 自 重 放 大 系 数 进行放大，并 均 匀 加 载到起重机钢结构上，与 实 际相符。SAP2000 软 件 采 用 “Chinese2002 ” 设 计 规范，其他 相 关 参 数 按照规定进行设置，本 文 采 用非线性分析，非线性部分考虑 P- 效应的影响， 即在平衡方程中考虑部分结构的 变 形 形 状，软 件 要进行迭代计算。图 2 配重精确计算流程2. 1建模与导入臂架式起重机的主要部分是桁架结构，但 截面特征并 不 统 一，腹杆和弦杆的尺寸 规 格 不 尽 相同，因此合理简化其他部分的特征，在 Auto CAD中建立起重机的三维模型框架，并 将 截 面 特
16、 征 不 同的框架 ( 组) 定义到不同的图层，然后 将 框 架 模型保存为 DXF 格式。接着按图层依次将起重机模型框 架 导 入 SAP2000，完 成 模 型 导 入， 幅 度 为10 m 时的起重机 SAP 模型如图 3 所示。其他幅度下的模型可以在幅度为 10 m 的 SAP 模型的基础上作简单修改得到: 将幅度为 10 m 的 SAP 模型的整个主臂架选中，然 后 利 用 “带 属 性 复制” 功能，使主 臂 架 绕 y 轴旋转与所需幅度相 对应的角 度，再 修 改 变 幅 系 统，即可得到所需幅 度下的 SAP 模型6，7。2. 3结果输出与分析分析计算完成后，将计算结果输出到
17、Excel 数据库中。以图 3 幅 度 为 10 m 的 起重机模型为例，对输出到数据库中的数据进行整 理 计 算，得 到 的 结果如表 2 所示。表 2 配重计算结果2. 2模型初始化与加载将起重机 模 型 导 入 SAP2000 后，进 行 模 型 初始化。首先定义模型中 要 使 用 的 材 料，然 后 根 据实际的截面尺寸定义截面尺寸，并 为 框 架 指 定 截 面和材料。接 着 进 行 约 束和载荷的指定，环 轨 起 重机工作时起重臂架只能绕 y 轴转动，约束其他方向的自由度; 撑杆架配重端由于受到配重的限制，约束配重端 4 个铰点的自由度。起 升 载 荷 加 载 于 主臂架 顶 部，
18、 将 该 处 的 4 个节点设置为载荷加 起重运输机械 2012 ( 8)根据表 2，输出的结果包括二部分: 一是配重 29 铰点 1铰点 2铰点 3铰点 4支反力 / N 294 692 5 3 056 777 2 946 380 3 057 740配重 / t1 200. 782 2最大应力比0. 999 863侧四铰点 的 支 座 反 力，经求和计算即 可 得 到 所 需的配重重 量; 二是起重机结构在该工 况 下 的 最 大 应力比，所谓应力比就是结构在各工 况 下 的 最 大 应力与相 应 工 况的许用应力的比值， 以 不 大 于 1 为合格8。应力比表征的是起重机金属结 构 的 承
19、 载状况，判断整个结构是 否超过设计上 限6，若 计算出的最大应力比大于 1，则说明载荷超过了起 重机结构 的 承 载 能 力，应降低载荷或 对 起 重 机 结 构进行 加 强。 表 2 中 该工况下的最大应力比为 0. 999 863 1，很好地利用了起重机金属结构的承 载能力，因此，起重机结构受力较为理想，计 算 得到的配重合理。式中:PWi ( i = 1，2，3，4，5 )分 别 为 主 臂架、撑杆架、配重、塔头和吊重的风载荷，N;hi分别为主臂 架、撑 杆 架、配 重、塔头和吊重风载 荷的作用 点 高 度，m; h0 为 主 倾 覆 边 的 高 度，m; 和 为载荷计算系数，根据起重
20、机设计规范5，取 = 1. 2， = 1. 3。 其 他 符 号 同 式( 2) 。( 1 )和 式若式( 3)成立，则认为起重机是稳定的。2. 4环轨起重机不同幅度下的配重根据上述的计算方法及过程，分 别 计 算 环 轨起重机不同幅度的配重及最大应力比，计 算 结 果整理见表 3。表 3 环轨起重机不同幅度的配重图 4 环轨起重机受力图对建立 的 验 算 模 型，代 入 相 关 数 据，验 算 各幅度下的抗倾覆稳定性，计算结果见表 4。表 4 抗倾覆稳定性验算结果3抗倾覆稳定性验算对以上自动计算出的配重重量，还 应 进 行 起重机的抗倾覆稳定性分析，以 验 证 计 算 结 果 是 否满足抗倾
21、覆稳定性要求，保证起重机的作业安全。为了便于分析环轨起重机的抗倾覆稳定性， 将环轨起重机各部分的几何特征 简 化，如 图 4 所 示。根据其 倾 覆 可 能 性，取主臂架根部的销轴中 心线为 倾 覆 边。 由 于 环 轨起重机运行速度很慢， 惯性力可忽 略 不 计。吊 重、塔 头、主 臂 架 自 重 以 及 + x 向风载荷为倾覆力，配重和撑杆架自重为稳 定力。据此列出环轨起重机的抗倾覆 稳 定 性 的 验 算模型显然，各幅度下的验算结果均满足环轨起重 机抗倾覆 稳 定 性 的 要 求，故 起 重 机 稳 定，这 说 明 以上计算方法是切实可行的。4结语1) 本文以环轨起重机为研究对象，论述了
22、采用 SAP 2000、Auto CAD 和 EXCEL 进行仿真计算，探索出一种新的精确计算臂架式起重机配重的方 法，并运用 该 方 法 计 算环轨起重机的配重，对 计 算出的结果进行抗倾覆稳定性验算，证 明 了 该 方 法在实际的计算过程中是切实可 行 的，可 以 为 臂 架式起重机的结构设计和配重计算提供一定的理 论基础和参考。起重运输机械 2012 ( 8) M= PG2 d2 /2 + PG3 d2 PG1 d1 /2 4( PQ + PG4 ) d1 PWi ( hi h0 )i = 1PW5 ( h5 h0 ) 0( 3) 30 幅度 / m1014182226力矩代数和M /
23、( Nm)4. 040 9 1074. 117 6 1074. 863 4 1075. 206 9 1075. 209 2 107幅度/ m1014182226配重/ t1 2011 5211 7451 8741 909最大应 力比0. 999 8630. 999 8050. 999 7940. 999 7230. 999 686抓斗卸船机平台走道的减重设计陈红东 曹 燕 朱炜程上海振华重工 ( 集团) 股份有限公司 上海200125摘 要: 根据码头实际工况，对卸船机整机质量有严格的要求，合理的减重势在必行，介绍其中的平台走道减重设计，可为类似的设计提供参考。关键词: 卸船机; 平台走道;
24、减重; 设计中图分类号:U653. 928. + 1文献标识码:文章编号:1001 0785 ( 2012) 08 0031 04BAbstract: The actual working condition at terminal delivers strict requirement on the weight of the ship unloader，soreasonable weight-reduction is imperative. The paper introduces weight-reduction design of platform and walkway to pro
25、vide reference for similar designs.Keywords: ship unloader; platform and walkway; weight-reduction; design在 散货装卸设备中 ， 由于一些老码头轨距 较小 且 轮 压 承 载 有 限 ， 对整机质量有苛刻的要 求 。 在 保 证轮压的前提下 ， 充 分 利 用 原 码 头 工 况 ， 实 现 装卸机械的平稳运行 ， 合 理 的 减 重 势 在 必 行 。 整 台设备的减重需要总设计者仔细计 算 ， 反 复 论 证 。 本 文 以 泰 州 电 厂 1 000 t / h 卸 船 机 为 例
26、， 就 其中的平台走道的减重设计谈一些 体 会 。范9. 3. 4. 2 要 求: 栏杆上部表面的高度不低于 1 m，栏杆下部有高度不低于 0. 1 m 的踢脚板，在 踢脚板与手扶栏杆之间有不少于一根的中间横杆， 它与踢脚板或手扶栏杆的距离不得大于 0. 5 m，在 手扶栏杆的最危险部位，应 能 承 受 水 平 方 向 的 集 中载荷而不发生永久变形，并 且 其 最 大 位 移 不 应 超过 30 mm。基于以上设计规范，并 与 用 户 沟 通 后，确定如图 1 所示的栏杆典型图。该 栏 杆 设 一 道 中 间 横 杆 ， 满 足 起重机设计规范 要 求 ， 且 与 传统的两道横杆比较 ， 其
27、减重优势明显 。 该 典 型 图 与 其 他 码头常用的栏杆形式最主要的 1设计准备和投标澄清首先，根据 GB / T 38112008 起重机设计规19 ( 4) : 44 47.5 GB / T 38112008. 起重机设计规范S. 北 京: 中 国标准出版社，2008.6 北京金土木软件技术公司 . SAP2000 中文版使用 指 南M. 北京: 人民交通出版社，2006.7 周奇才，代习伟，李文军等 . 臂架式起重机起重特性2) 本文所介绍的配重的精确计算方法，在计算得到配重质量的同时，获 得 起 重 机 金 属 结 构 的 承载状况。根 据 承 载 情 况进行起吊作业，可 在 很
28、大程度上避免起重机钢结构的破坏，可 保 证 起 重 机的作业安全，延长起重机的使用寿命。计 算 J . 机 械 设 计 与 研 究， 2011， 27114 117.( 4 ) :参考文献1 翟会 昆 . 中国三一再创世界第 一J.2011，( 4) : 58 59.建 筑 机 械，8 上海港机重工有限公 司 . 港口起重机设计规 范M.北京:人民交通出版社，2007.2 夏文超 . 工程起重机超大吨位引领发展J. 建设机械技术与管理，2010，( 12) : 42 47.3 王积永 . 臂架类起重机平衡系统匹配方法及实现该方 法的起重机 . 中国 . CN101049892AP. 2007.4 张明勤，孙小丽，曲振波，等 . 应用连杆机构实现起 重机平衡重自适应调节J. 机械设计与研究，2003，起重运输机械 2012 ( 8)者:址: 编:作地 邮雷洪林云南开远昆明铁路局昆河铁路公司6616002012 02 10收稿日期: 31