全地面起重机超起拉索预紧计算方法研究

表 1 各构件间的约束形式序 连接构件 约束自由度号l 超起拉索--超起撑杆 Ux、Uy、Uz2 超起拉索--臂架 Ux、Uy、Uz3 超起后拉板--超起撑杆 Ux、Uy、Uz4 超起后拉板--臂架 Ux、Uy、UzUx Uy、Uz、5 超起撑杆--臂架 Rotx、 Roty、Rotz6 臂架--臂架变幅油缸 Ux、Uy Uz Rotx、Rotz7 臂架变幅油缸--转台 Ux、Uy、Uz Rotx Rotza零状态2 预紧计算方法研究为了方便描述全地面起重机带超起工况的工作过程，定义了3种状态： (1)零状态。为系统未受力 、未变形时的理想状态，用于建模初期，实际中该状态不存在，如图2a所示 ； (2)初始状态。

为系统在自重和预紧力作用下变形后的平衡状态，如图2b所示； (3)荷载状态。为系统在初始状态的基础上，承受其它外荷载如吊载、风载变形后的状态，如图2c所示 。

b初始态 c荷载态图2 超起工况的3种状态全路面起重机预紧吊载计算流程如图3所示。

甲 找出数组 口中的最小值对应的索长 ，即最优索长( 竺 )图3 预紧计算方法流程图先在零状态下建立具有-定超起拉索长度的模型；然后施加吊载进行几何非线性计算，并以主臂整体应力和整体稳定性决定的最大起重性能为评价准则进行迭代求解获得最优索长；最后在零状态下建立最优索长即可求出任意给定预紧角度下未吊载时最优的拉索预紧力。

2.1 拉索长度计算以拉索长度为变量的几何非线性求解过程中，拉索会 自动找形，不需考虑其初始形状。

定义零状态超起撑杆 自由端与臂头两点之间的距离作为拉索的基本长度。当给定的拉索长度大于基本长度时拉索处于松弛状态，重力作用下主臂会下挠；反之当拉索长度小于基本长度时拉索处于绷紧状态，主臂头部会上翘反弯。实际拉索长度为L △l (1)式中 L 为实际拉索长度； 为拉索基本长度；△f为拉索控制长度。当给定的控制长度为正时，臂架下挠，为负时即上翘。上述计算方法可在ANSYS中直接实现：先建立零状态的模型，再在拉索的梁单元上施加初应变△f/ 。

2.2 最优索长评价准则合理的超起拉索长度能更好地发挥超起装置CONSTRUCTION MACHINERY 201 3 6 9 1设计计算 DESIGN＆CALCULATION的作用，提高臂架的起重性能。决定起重性能的因素很多，如主臂整体应力和整体稳定性、板壳局部屈曲稳定性、整机倾翻稳定性、变幅油缸强度等。

本文仅以主臂整体应力和整体稳定性决定的起重性能作为评价准则，进行最优拉索长度的研究。

以主臂整体应力为准则计算起重性能时，给定初始起重量Q.，进行几何非线性计算，按第四强度理论计算主臂复合应力并与材料的许用应力比较。反复迭代直至计算应力逼近许用应力。

主臂复合应力计算公式为6 -：式中 为构件计算复合应力 ；剪应力。

比例迭代法 计算公式为(2)为正应力；丁为Q川 (3)式中Q 为起重性能迭代中第n次施加的起重量 ；Kf 1为比例因子 ，[ ]为材料的许用应力。

在以臂架整体稳定性决定的起重性能计算当中，给定-个起重量的取值范围 [Q Q ]。

首先进行特征值屈曲分析，将特征值矢量屈曲形状作为非线性屈曲分析时施加的初始缺陷；然后施加最大起重量Q ，进行非线性屈曲分析，提取臂架在变幅平面内位移和侧向位移，并判断其失稳程度；采用二分法重新估算下-个起重量，反复迭代直到判定失稳，求出极限载荷。这里考虑的失稳依据有2个： (1)施加微小增量位移急剧增大，即认为失稳； (2)未满足GB/T 3811-2008《起重机设计规范》的刚度要求。

(4)式Csx 为非线性求解中第n个载荷子步位移；A sx为相邻两载荷子步位移差值。若△sx>[△ ]，则结构失稳， [△ ]为允许的相邻两载荷子步位移差值。

根据 《起重机设计规范》进行臂架回转平面内刚度判断，回转平面内的侧向位移为92 建筑机械 2013 6(上半月△SyS，. - l J (5)式中 [ ]为臂架侧向位移允许值；△ 为当前位移计算值与允许值问的差值。若 △ >0，则结构失稳。

二分法迭代公式为(6)式中Q 为第n次起重性能迭代起重量取值范围中的最大值；Q i . 为第n次起重性能迭代起重量取值范围中的最小值。

综合上述两因素决定的起重量，取二者中的最小值作为额定吊载，即Q min(Q，Q ) (7)式中Q为主臂整体应力决定的起重量；Q 为臂架整体稳定性决定的起重量。所得额定吊载中最大值对应的索长即为最优索长。

3 算例分析以某500t全地面起重机为研究对象，选取臂架全伸长度84m为算例，研究其最优拉索长度以及相应的预紧角度和预紧力。

几何非线性求解采用Newton-Raphson法结合弧长法 ，选取初始起重量为2t，主臂仰角分别为8O。、60。和3O。，以主臂整体应力和整体稳定性为评价准则迭代求解起重性能。

图4为主臂全伸时不同主臂仰角 、不同超起拉索长度下主臂整体应力和整体稳定性共同决定的最大吊载重线。

l00I--80 -60-l畦 4o"- 20-UL -70.5图4 不同主臂仰角下，超起拉索长度与最大吊重间的关系由图4可见，主臂全伸各主臂仰角下，随着超起拉索长度的增加，吊重先增大后减小，中间存在峰值。说明存在最优超起拉索长度，使得吊重最大。拉索长度较短时，额定吊重是由主臂上盖板应力决定的；拉索长度较长时，额定吊重是由主臂下盖板应力决定的。拉索中间长度主臂仰角80。对应的吊重是由臂架回转平面内稳定性决定的，主臂仰角30。对应的吊重是由臂架变幅平面内稳定性决定的，主臂仰角60o对应的吊重无法确定是由哪个平面内的稳定性决定的。主臂仰角80。时，最优超起拉索长度范围为71.4 72m；主臂仰角60。时，最优超起拉索长度范围为71.3～71.6m；主臂仰角30。时，最优超起拉索长度范围为71.4～71.6m。

图5、6为对应最大吊重时的主臂轴力图和弯矩图∩见，随着拉索长度的增大，主臂轴力先增大后减小，主臂弯矩由负最大值逐渐增大到正最大值。拉索长度较短时，索中张力较大，主臂反弯，且随着吊重的增大，主臂反弯趋严重，即主臂承受反向弯矩增大，导致主臂上盖板应力过大，在主臂整体失稳前已达到许用应力。拉索长度较长时，索中张力较小，主臂变形较大，且随着吊重的增大，主臂变形趋严重，即主臂承受正向弯矩增大，导致主臂下盖板应力过大 ，在主臂整体失稳前已达到许用应力。中间范围拉索长度时，主臂承受的弯矩较小，但轴力较大，在达到材料许用应力之前，臂架已整体失稳，故其额定吊重是由整体稳定性决定的。

拉索长度是通过在预紧角度下施加-定的预紧力实现的。在实际吊载前最优拉索长度可在不同的主臂变幅角下给定。同样的长度在变幅角较小时需要较大的拉索力回拉 ，在变幅角较大时则用较小的力回拉即可。也就是说，变幅预紧角度和预紧力之间呈--对应的关系。

40003000广2000擤 ：l000r 舟- t- 寺-- J超起拉索长度/图5 不同主臂仰角下。超起拉索长度对主臂轴力影响曲线图7为超起拉索长度取7 i.6m时，分析得到的预紧角度和预紧力关系曲线。从图中可以看出，可在任意主臂仰角下 ，通过预紧得到所需拉索长-710L.5 -卉 -7 1.5 - 打 打 .5超起拉索长度/m图6 不同主臂仰角下，超起拉索长度对主臂弯矩影响曲线度。但随着仰角的增大 ，所需施加的预紧力逐渐减校 - 打 - - - ～预紧角度/(。)图7 71.6m拉索长度对应的预紧角度和预紧力曲线4 结论针对全地面起重机预紧过程，提出-种超起拉索预紧计算方法，并通过全伸臂长工况进行定量分析研究。研究结果表明，超起拉索长度对全伸臂长的起重性能影响较大，合理的拉索长度能够改善臂架的受力状况 ，且在可能的拉索长度空间范围内，存在最优的拉索长度，使得超起装置能够最大限度地提高起重机的起重性能。该结论可为全地面起重机超起装置的设计提供-定的参考依据。