一种船吊臂架变幅钢丝绳反力的调整方法

摘要

臂架是船用吊机的核心部件，在进行臂架强度计算时由于提取的变幅钢丝绳反力存在差异，计算结果存在偏差，需要对变幅绳反力进行调整。针对变幅钢丝绳反力调整困难的问题，采用APDL语言，开发出一种自动调整变幅钢丝绳反力的程序，使变幅钢丝绳反力调整到一致，提高计算结果的精确度。

关键词：臂架、钢丝绳、调整

船用吊机是指安装在船上，用于在港口条件下装卸货物和集装箱的起重机。船用甲板吊机作为船舶装卸货物的重要工具，随着安装船舶来往于全球主要航线和各大港口。[1]臂架是船用吊机的核心部件，为保证各种工况正常工作，必须对臂架结构进行精确的计算，保证其力学性能。对于臂架的分析文献很多，例如：王贵彪对起重船扒杆结构强度及稳定性进行分析；陈南华对起重船A型吊臂结构进行有限元分析计算；赵君龙对海事起重机桁架式臂架强度与稳定性进行分析；张洪，李玮等对履带式起重机臂架进行过强度分析；陈大明通过钢丝绳拉力与钢丝绳的振动频率之间存在对应的关系，通过试验证明了单臂架变幅式起重机两根变幅钢丝绳拉力基本相等。[2] [3] [4] [5] [6] [7]但这些研究工作很少涉及对臂架变幅钢丝绳反力的调整，然而变幅钢丝绳反力是否合理将直接影响到计算精度。目前对于变幅钢丝绳反力调整的文献很少。针对变幅钢丝绳反力调整的问题，采用APDL语言设计出自动调整变幅钢丝绳反力的程序，使通过臂架同轴滑轮组的变幅钢丝绳反力保持一致，保证计算结果的精度。

no.1   问题概述

某船用吊机结构如图1所示。吊机由基柱、转塔、臂架、起升机构、变幅机构、回转机构、电液系统等组成，能完成起升、变幅、回转等动作。[8] [9]最大起升能力30T，工作半径范围5m~30m。臂架结构形式为箱型结构。

图1 船用吊机及臂架结构

对臂架的强度进行计算。在转塔顶部与吊臂头部相对应的两个变幅滑轮中心之间创建两个连接弹簧模或杆单元拟钢丝绳，[6] [10] [11]并施加约束，如图2所示。在实际工况中变幅钢丝绳通过滑轮组缠绕，在忽略效率的情况下，各绳拉力近似相等，但由于杆单元或弹簧单元有一定的刚度，在实际计算中由于臂架的变形协调和侧向载荷的影响，在计算结果中提取的钢丝绳反力与实际情况存在差异，这就需要需对杆单元的反力或弹簧反力进行调整，实现钢丝绳力近似相等，在实际操作中需反复调整，效率低下。

图2 钢丝绳模拟

no.2   臂架强度计算及变幅钢丝绳反力提取

材料定义

臂架主结构为高强钢H36，屈服强度355MPa,主筋板为Q345,屈服强度345MPa。

密度ρ：7.83×10-6Kg/mm3

弹性模量E：

泊松比υ：0.3

臂架强度的计算

按照第四强度理论对结构进行静强度分析，Von-Mises等效应力

应当满足：

其中：

为等效应力；

、

和

分别为第1、2和3主应力；

为材料的许用应力。

用弹簧单元模拟变幅钢丝绳。对板材采用实体-壳单元“SOLSH190”划分两层网格，对规则的实体部分，采用实体单“SOLID186”划分规则的六面体网格。采用坐标系为：总体笛卡尔坐标系。[10] [11]有限元模型如图3所示。单元数量158757。节点数量277447。如图3所示。

图3 有限元模型

约束和载荷：在吊臂两个铰点处施加远程位移约束，均约束三个平均自由度，释放三个转动自由度。在转塔顶部两个俯仰滑轮中心创建一根轴，轴的中间点进行如下远程位移约束：释放绕竖直轴转动的自由度，约束其它五个自由度，轴的两端分别与吊臂头部相对应的两个俯仰滑轮中心之间创建两个刚度为1e6N/mm的连接弹簧模拟钢丝绳。载荷为重力加速度，考虑平台倾斜及风倾引起的加速度分量，起升钢丝绳力载荷加载，加载到臂架头部，吊臂头部侧向力。工况1的载荷约束条件如图4所示。

图4 工况1的边界条件及载荷

计算结果分析：如图5所示，臂架最大应力265.4MPa,在臂架头部U形连接板上应力较大，为局部应力集中，周围应力最大为242MPa,区域很小，臂架根部应力值均在150MPa以下，结构强度满足要求。结构最大位移58.67mm。提取弹簧力为：-77860N, 32014N。正值代表弹簧受拉，负值代表弹簧受压，而钢丝绳只能承受拉力，故计算结果存在偏差。需要调整弹簧反力。

图5 应力变形云图

no.3   调整钢丝绳反力及臂架计算

钢丝绳力调整

根据上述计算可知弹簧反力不相等，而实际工况下变幅钢丝绳的力经过滑轮组绕绳以后是近似相等的，所以计算结果与实际结果存在误差，计算精度不够高。需要对弹簧反力进行调整，方法一是通过调整两根弹簧的刚度，使弹簧反力近似相等；方法二是通过调整两根弹簧的预紧力，使弹簧反力近似相等；如果以杆单元模拟钢丝绳，需在杆单元上施加温度载荷，通过调整杆单元的热变形量来调整钢丝绳张力。然而这三种方法耗时费力，而且跟个人经验及熟练程度有关。鉴于钢丝绳反力调整困难的问题，编制APDL程序，通过对弹簧反力的反复平均，反复迭代实现弹簧反力相同。实现流程如图6所示。

图6 弹簧力调整流程

根据流程编制APDL程序如下：

fini

/prep7

esel,s,ename,,14

*get,enum,elem,0,count

*dim,fdata,,enum,3! 定义数据保存各个钢丝绳编号、钢丝绳载荷、初始预紧力

*vread,fdata,data,txt,,jik,3,enum

(3e16.5)

eitem=0

*do,i,1,enum

    eitem=elnext(eitem)

    ......

*enddo！设置钢丝绳预紧力

......

/post1

Set

! 提取各个钢丝绳单元张力载荷

*do,i,1,enum

    *get,fitem,elem,fdata(i,1),smisc,1

    fdata(i,2)=fitem

*enddo

*vscfun,fmean,mean,fdata(1,2) ! 计算钢丝绳平均载荷

! 修正各个钢丝绳初始预紧力

*do,i,1,enum

......

上述过程可以在Workbench界面下添加APDL命令来实现，如图7所示。

图7 在WORKBENCH界面下添加APDL程序

弹力迭代过程记录如表1所示。弹簧力迭代曲线如图8所示。由表1和图8可知随着迭代步数的增加，弹簧力1和弹簧力2的大小主板趋于一致。在实际计算中，迭代步数的多少与弹簧刚度有关系，弹簧刚度越大，迭代过程越长。

表1 弹簧力迭代记录

迭代次数	1	2	3	4
弹簧力1	-77860	61680	103400	115880
弹簧力2	320140	180680	138980	126510
迭代次数	5	6	……	10
弹簧力1	119610	120720	……	121190
弹簧力2	122780	121670	……	121200

图8 弹簧反力调整曲线

调整钢丝绳反力的计算结果及对比分析

如图9所示，臂架最大应力268.8MPa,在臂架头部U形连接板上应力较大，为局部应力集中，周围应力最大为244MPa,区域很小， 臂架根部应力值均在150MPa左右，结构强度满足要求。结构最大位移56.08mm。弹簧反力为：121190N, 121200N，表明两变幅钢丝绳拉力相同；弹簧反力调整前后的结果比较如下：应力偏差为

，变形偏差为

。调整弹簧力以后计算结果更为精确。

图8 臂架的应力变形云图

no.4   结论

（1）通过调整钢丝绳反力前后的计算结果对比可知，将钢丝绳力调整一致以后计算更精确。

（2）通过程序调整钢丝绳力可以较精确

地将钢丝绳力调整一致，比凭经验调整效率和精度高,此方法适用于同类钢丝绳变幅的吊臂结构。

（3）此方法未考虑滑轮组的传递效率，须进一步完善，以实现多钢丝绳力的可视化自动调整。

参考文献

[1]王群山，2015年干散货运输市场回顾及2016年展望，世界海运2016年02期

[2] 王贵彪，王伟，谢永和.120t起重船扒杆结构强度及稳定性分析[J].船海工程，2015,44(1):33-36

[3] 陈南华，李艳珍.150t起重船A型吊臂结构有限元分析[J].船海工程，2013,12(6):29-32

[4]赵君龙，覃刚，王强.SOC（特种）型海事起重机桁架式臂架强度与稳定性分析[J].船海工程，2017,1(46):122-125

[5]张洪，陈守礼，胡海平等. 大型履带起重机臂架的静强度分析[J]. 太原重型机械学院学报1992,1(13):85-91

[6]李玮.履带起重机臂架结构强度有限元分析[J].机械工程自动化，2016,4:92-94

[7]陈大明，孙海波.变幅钢丝绳受力试验研究[J].中国水运，2011,8（11）:105+107

[8] ABS.海上设施起重设备规范[S].ABS:2014

[9] SY/T 1003-1996.海上平台起重机规范[S]. 北京：国家石油和化学工业局.1996

[10] 浦广益,ANSYS Workbench基础教程与实例详解（第二版）[M]北京：中国水利水电出版社

[11]商跃进主编.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2005