起重机臂架正向设计及发展趋势探讨

郭崇嵩

摘要：本文所研究的是一种塔式起重机臂架的正向设计方法。在设计过程中，把臂架看成一个与自身截面相等的结构，对其超静定进行求解，根据等强度原则限制了弦杆的约束条件，建立了相应的数学模型，然后通过有限元分析来优化求解。第一次优化得到臂架结构，第二次优化得到变截面结构，且材料的分布更加合理。最后以所得参数进行了某一型号塔式臂架的正向设计，并简要探讨了塔式起重机臂架的研究方向。

关键词：塔式起重机;臂架;正向设计;发展趋势

0  引言

在当今的建筑工程之中，塔式起重机是一种广泛应用的机械设备，只有保障臂架的使用质量和使用效率，才可以有效保障建筑工程的顺利进行。对于臂架而言，通过类比试算来确定构件截面尺寸以及吊点位置的方法依然比较普遍，这种设计方法虽然可以让臂架与施工需求相符合，但是应用这种方法的设计效率始终难以提升，型材浪费的问题也始终难以解决。本次就研究了塔式起重机臂架的正向设计方法，希望可以对臂架设计效率的提升和型材浪费问题的解决提供一定的帮助。针对行业动态提出了对于臂架结构设计发展趋势的看法。

1  计算模型的建立

在双吊点的塔式起重机之中，水平臂架是一个有着三角形横截面的空间结构，吊臂的一端和塔身铰接在一起，中间的位置用两个拉杆悬吊起来，另一端就是悬臂。在进行正向设计的过程中，首先假设上下弦应用的都是方钢，且有着相等的横截面积。在这个起重机的起升平面之中，臂架属于一次超静定结构，它所承载的载荷不仅包括固定的载荷，也包括移动的载荷[1]。在起重机的回转平面之中，我们可以将臂架看做悬臂梁，通过这个悬臂梁，可以承载回转惯性力、起升钢丝绳倾斜以及侧向风载等情况下的所产生的水平方向的拉力。图1就是其臂架的典型结构。

在图1中，如果将型材自身的惯性矩忽略不计，则这个横截面结构对于形心轴xc所产生的惯性矩可以是：

在以上的公式之中，起重机臂架的高度以及宽度分别用y1和x1来表示，下弦杆的横截面积用S1来表示，上弦杆的横截面积用S2来表示。

按照塔式起重机的相关技术标准，受力最大处为其幅度最大的位置，以及起重机的外跨中点以及内跨中点。双吊点臂架属于一个双向压弯形式的构件，为了让机械性能得到充分利用，其外跨段、内跨段以及外伸段最大应力绝对值在典型的工况条件之下都可以基本相等，也就是与其强度需求基本相符，根据这一标准来对各个变量值进行设计，就可以让臂架的应力得到合理分配[2]。同时，在设计过程中，只要计算出拉、压力，就可以求出整个双吊点水平臂架的结构内力。图2就是其内力计算模型。

2  应力计算分析

在轴力、风载以及弯矩的作用之下，塔式起重机臂架结构的外跨段、内跨段、上弦杆、下弦杆以及悬臂段上的应力可以按照以下的公式来进行计算：

3  初步优化求解分析

在对臂架的等截面进行优化设计过程中，数学模型可以按照如下的方式进行描述：

3.1 变量的设计

在对臂架进行设计的过程中，首先应该对以下的几个基本参数进行确定：其一是下弦杆截面积S1的确定，其二是上弦杆截面积S2的确定;其三是臂架架高y1的确定，其四是臂架架宽x1的确定;其五是外吊点到内吊点之间的距离b的确定，其六是内吊点到臂架根部铰点之间距离a的确定，其七是塔帽高度h的确定，其八是内拉杆截面积S4的确定，其九是外拉杆截面积S3的确定。其设计变量的公式如下：X=[S1，S2，S3，S4，y1，x1，a，b，c，h，]T

3.2 目标函数的设计

在对臂架进行优化设计的过程中，主要的目标是使其实现轻量化。假设其上弦杆和下弦杆应该使用同样的材料，并保障截面相同，所以其等价目标函数如下：

3.3 约束条件的设计

在这个臂架之中，结构件最大的应力一定要比材料所允许的应力小，并将等强度的设计作为设计目标。因为已经假设了上弦杆的截面和下弦杆的截面相等，所以在臂架的外跨段、内垮段以及悬臂段处于典型的工况之下最大应力不可能完全符合等强度要求。因此，在设计的过程中，裕度的初步选择是在30%以下，所以约束条件如下：

在以上的公式之中，i=1，2，3，臂架的弦杆型材允许应力用[？滓]来表示，拉杆材料的允许应力用[？滓b]来表示，臂架长度用l来表示。

4  對塔式起重机臂架结构有限元的分析与优化

在进行塔式起重机的臂架结构正向设计过程中，为了有效实现其轻量化的目标，一定要通过变截面的方法对不同的臂段进行设计，需要用规格与截面参数都不同的型材对其外跨段、内跨段以及外伸段进行设计，特别是在进行弦杆的设计过程中，一定要通过变截面的技术来设计。所以在实际的设计过程中，设计人员可以根据之前算出的等截面臂架优化设计结果，从型材数据库之中对相应的型材进行查找，并通过ANSYS系统来提供出一个APDL，这样就可以建立起一套参数化的臂架有限元模型，通过这样的方式，也就可以进一步优化这个臂架的结构参数，进而求出合理的变截面，然后进行其设计参数的合理设置。

在对臂架进行空间桁架结构的设计过程中，应该通过梁单元BEAM188模拟的形式来进行设计。在对臂架进行拉杆结构的设计过程中，应该通过杆单元LINK8模拟的形式来进行设计。在对臂架的起升机构、变频机构、平衡重以及回转机构等进行集中质量设计的过程中，应该通过将质量单元MASS21模拟施加在相应位置上的方式来进行设计，同时，在设计过程中，也应该将梁单元和质量控制单元之间进行耦合。在塔式起重机的塔身，与混凝土基础之间互相连接的四个基础节约束点应该通过固定约束的方法来进行设计。

在ANSYS系统之中建立起一个臂架的有限元模型，并进行参数化的加载，求解，再借助于ANSYS的命令，将与当前工况所对应的上弦杆最大应力以及下弦杆最大应力提取出来，最后再进入到优化模块之中实现对设计变量的进一步优化。图3就是通过这个系统进行机械臂优化设计的流程图。

5  塔式起重机臂架结构发展趋势探讨

5.1 大吨位化

随着装配式建筑概念的提出和推广，小吨位的起重机已经不能满足市场需求，正逐步退出历史舞台，需要大吨位的臂架结构来实现更高的起重性能。

5.2 平头化、动臂化

随着行业的发展，除了本文所讨论的拉杆式臂架，平头式塔式起重机和动臂式塔式起重机臂架结构会占据越来越多的比例。

平头式塔式起重机臂架力学模型更简单，受力更明确，空间需求小，适合群塔作业;而针对城市建设，动臂式塔式起重机臂架结构拥有实现小幅度吊装，回转半径小等优点。

5.3 模块化设计

臂架经过正向设计为不同截面的桁架结构，在正向设计过程中，考虑模块化和互换性，增加或减少一节臂架能够快速实现市场主导的不同起重性能的臂架，缩短设计周期，快速占领市场，成为市场的风向标。

5.4 轻量化设计

轻量化设计是提升其起重性能最快速，最直接的方法之一，臂架结构的重量抵消掉了一部分起重性能，同等起重性能，臂架的重量较大，会导致平衡臂乃至塔身都需要提升一个规格，增加成本。轻量化设计的主要方法有：局部加强，高强钢使用等等。

6  结束语

综上所述，随着工程行业不断发展，塔式起重机的应用范围越来越广，而其臂架结构的质量对于起重机的工作质量起到决定性作用。因此，要想保障塔式起重机的工作效率与工作质量，使其在工程施工之中的应用优势得以充分发挥，我们就应该对塔式起重机的臂架结构进行正向的优化设计。在设计过程中，通过对各个截面应力的控制，使其应力差达到最小，并以此作为约束条件来实现对臂架结构的优化设计，让臂架结构实现轻量化，并进行相关设计模型的建立，通过参数有限元分析方法来实现两次的优化设计。这样才可以让塔式起重机的臂架结构得到合理的正向设计，这对于塔式起重机应用效果的提升和工程行业的发展都十分有利。結合行业的发展和国家政策，探讨了塔式起重机臂架发展趋势，希望通过本次的设计与分析，可以对塔式起重机臂架结构的优化提供出一定的参考价值。

参考文献：

[1]张楠，连香姣，姚圣卓，等.塔式起重机臂架装置的优化设计[J].机械设计与制造，2019（9）：258-260.

[2]王波，韦何耕，张浩强.基于结构仿生的塔式起重机臂架优化设计初探[J].中国设备工程，2018（4）：128-129.

[3]吴青龙，周奇才，熊肖磊，等.塔式起重机臂架腹杆布局及尺寸优化设计[J].东北大学学报（自然科学版），2018（9）：1309-1314.