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装配式渠槽专用门式起重机整机设计

2025-03-28 16 上传者：管理员

摘要：装配式渠槽具有绿色环保、施工周期短、成本低等优势，在水利渠槽建设中得到了广泛应用。针对通用门式起重机在渠槽装配作业中存在定位精度差、作业效率低、辅助人员多等问题，设计了能够满足装配式渠槽吊装作业要求的专用门式起重机。通过对专用门式起重机工作机构及控制系统的设计，满足了装配式渠槽安全、精准、高效、绿色吊装作业需求，并通过数值仿真进行了不同作业工况下专用门式起重机金属结构安全校核计算，确保了专用门式起重机强度及刚度均满足设计要求。

关键词：
数值仿真
整机设计
装配式建筑
装配式渠槽
门式起重机
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装配式建筑凭借施工简单､工期短､性能好等优势受到建筑行业､社会､政府部门的青睐,既能够满足低碳环保和工程建设需求,又能够有效节约资源,节省工程建设资金,降低建筑施工能耗｡水渠装配式渠槽作为水利工程中的典型应用已开展方案设计工作,混凝土侧墙采用工厂预制,混凝土底板采用现场浇筑,通过侧墙下部安装的套筒和底板顶部定位钢筋实现装配对接(如图1所示),进而进行注浆密封施工,以完成渠槽侧墙和底板装配任务[1]｡

图1装配式渠槽侧墙和底板装配

但目前国内装配式混凝土结构的应用仍主要集中在民用建筑工程领域[2],在水利工程装配式混凝土构件技术的研究和推广上,尽管部分学者作了一些探索,但应用工作至今仍未取得较大进展,缺少专用施工装备｡面对装配式渠槽吊装作业需求,现有通用门式起重机无法解决装配式渠槽截面尺寸多样､作业空间狭小､定位精度要求高等一系列技术难题｡因此,亟须研发能够满足装配式渠槽安全､精准､高效､绿色装配作业需求的专用门式起重机[3]｡

本文针对装配式渠槽施工现场复杂工况及起升机构定位精度要求高等一系列技术难题,设计了专用门式起重机大车运行机构､小车运行机构､起升机构等工作机构和用于渠槽吊装作业的专用吊具,开发了专用门式起重机高精度定位技术方案及控制系统,以实现装配式渠槽机械化､智能化和绿色化装配作业,并利用ANSYSWorkbench进行了专用门式起重机金属结构不同作业工况下的强度及刚度校核计算[4],以满足专用门式起重机安全高效作业需求｡

1、专用门式起重机整机方案

装配式渠槽专用门式起重机需要满足高精度定位需求和适应现场复杂作业环境,起重机主要设计技术指标及参数如表1所示｡

表1专用门式起重机主要设计技术指标及参数

专用门式起重机整机包括工作机构､专用吊具和控制系统三大部分,其中工作机构包括大车运行机构､小车运行机构和起升机构,起重机整体设计方案如图2所示｡

图2专用门式起重机

1.1工作机构设计

1.1.1大车运行机构大车运行机构设计方案如图3所示｡其中主梁､端梁､支腿和地梁构成大车主体框架,通过可变跨法兰板实现起重机变跨功能,跨度变化范围为4~7m｡安全挡块用于防止小车在移动过程中超出安全运行范围,避免安全事故发生｡

图3大车运行机构

1.1.2小车运行机构

小车运行机构主要用于沿主梁轨道方向运行,并在其中安装起升机构,实现重物在三维空间吊装运输作业,其机构组成如图4所示｡

图4小车运行机构

1.2专用吊具设计

专用吊具如图5所示｡套筒和定位销协同工作,确保重物的精确定位,起到机械防摇作用｡专用吊具上的回转机构可将渠槽混凝土侧墙调整到合适角度,确保能够安全通过支腿空间｡电动推杆用于夹取装配式渠槽混凝土侧墙吊耳｡

图5专用吊具

1.3控制系统设计

1.3.1多点控制

采用遥控器等多种控制方式时,设有互锁功能,确保在任何给定时间内,只有一种控制方式有效,并在每一控制点均设有紧急开关｡

1.3.2高精度定位系统

起重机定位分为大车､小车和起升机构高精度定位｡大､小车定位采用条码带+编码器检测位置;起升机构定位使用绝对值编码器,安装固定在卷筒输出轴端,通过PN总线与PLC通信｡PLC和传感器实时传输数据,通过变频器闭环控制,确保满足精度要求｡

1.3.3防摇摆控制系统

起重机行走过程中加速和减速会导致吊具的摆动,起重机的行驶速度越快,吊具的摇摆幅度越大｡为了提高起重机作业效率,确保安装精度满足设计要求,在专用吊具机械防摇功能基础上,同时采用了电子防摇摆控制系统以增强防摇效果｡

2、数值仿真计算

2.1有限元模型

采用SoildWorks建立专用门式起重机金属结构三维模型,并导入到ANSYSWorkbench中进行数值仿真计算,如图6所示｡金属结构材料为Q235B,弹性模量为205GPa,泊松比为0.3,密度为7829kg/m3,屈服强度为235MPa,网格划分得到有限元模型节点总数为349578个,单元总数为129890个｡

图6起重机金属结构数值模型

专用门式起重机所受载荷包括自重载荷和额定起升载荷｡根据现场作业情况,工况一为满载3t,小车位于跨中位置;工况二为满载3t,小车位于跨端位置[5-6]｡

2.2强度校核

两种工况下起重机等效应力云图分别如图8和图9所示｡材料Q235B的许用应力为:

图8工况一等效应力云图

图9工况二等效应力云图

由图8和图9可知,两种工况下最大应力均位于大车运行机构车轮约束位置,应力幅值分别为44.4MPa和42.2MPa,小于其许用应力,安全系数达到了3.95,确保装配式渠槽吊装作业安全｡

2.3刚度校核

根据《起重机设计规范》要求,主梁跨中许用变形量为L/750,即9.3mm;悬臂端许用变形量为L/400,即7.5mm｡

两种工况变形云图分别如图10和图11所示｡由图10和图11可知:工况一最大变形位于主梁跨中位置,最大变形量为0.72mm;工况二最大变形位于主梁跨端位置,最大变形量为0.36mm｡二者均满足设计规范要求,小变形量有利于吊装作业小车运行机构和起升机构的高精度定位｡

图10工况一变形云图

图11工况二变形云图

3、结语

本文设计了适用于装配式渠槽吊装作业的专用门式起重机,完成了大车运行机构､小车运行机构､起升机构､专用夹具和控制系统的设计,并利用ANSYSWorkbench进行了专用门式起重机金属结构不同作业工况下的强度及刚度校核计算,结果表明所设计专用门式起重机能够满足装配式渠槽高精度吊装需求,强度及刚度均满足设计规范要求｡

参考文献:

[1]张鹏举.装配式建筑推广研究[J].房地产世界,2022(20):132-133.

[2]赵彦革,孙倩,魏婷婷,等.装配式建筑绿色建造评价体系研究[J].制造业自动化,2012,38(7):134-135.

[3]李伟亭,杨秋贵.装配式渠槽结构应用优势分析[J].水利技术监督,2021(5):122-124.

[4]姚文博,马文亮.钢筋混凝土装配式渠槽有限元仿真分析[J].科技与创新,2023(4):103-105.

[5]刘莉娟.某165t铸造起重机桥架开裂的分析研究[J].山西冶金,2020,43(1):31-32.

[6]凌波.基于ANSYS铸造起重机桥架静动力学参数化分析[J].科技创新与生产力,2016(11):89-90.

基金资助:河南省科技攻关项目资助“装配式水工建筑专用门式起重机起升机构关键技术研究及应用”(242102220023);

文章来源:李陆明,王首博,周彦平,等.装配式渠槽专用门式起重机整机设计[J].现代农机,2025,(02):71-73.