姚远
安徽省特种设备检测院 安徽省合肥市 230051
摘要：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。
关键词：塔式起重机臂架装置优化设计
前言：臂架装置是塔式起重机的重要组成部分， 臂架的设计直接关系到塔式起重机起升、回转、变幅运行等重要作业。臂架装置的设计问题不能只停留在全靠手工计算和分析的传统的设计方法中。随着现代设计方法和计算机软件的发展，现代设计方法中的优化设计方法已经可以充分了利用在工程机械的臂架装置的设计中。针对塔式起重机的臂架装置优化的设计研究有了许多有利的进展。
一、工作原理
目前，现有产品的起重臂上、下臂架截面均为型材焊接而成的三角形结构，起重臂翻折装置主要由翻折液压缸、起重臂连杆组件、起重臂连杆等部分组成。起重臂由展开状态至折叠状态过程，由液压泵站提供动力推动翻折液压缸外伸，带动起重臂连杆组件绕下臂架铰接点旋转进而带动起重臂连杆及上臂架绕上、下臂架铰接点旋转，直至上、下臂架折叠到位。通过对目前国内外众多起重臂设计方案优缺点的分析和比较，决定对起重臂及翻折装置进行优化设计，弥补了目前起重臂存在折叠收纳状态时上、下臂架层叠设置导致整体高度过高、重心偏高，占用空间过大等缺陷。包括起重臂连杆机构和起重臂翻折液压缸；起重臂翻折液压缸设置在下臂架前部，其缸体底端铰接连接于下臂架；起重臂连杆机构是高强板焊接而成的箱型结构，起重臂连杆机构与起重臂翻折液压缸的伸缩端铰接安装连接形成铰接点，起重臂连杆机构包括上臂架连杆和下臂架连杆，上臂架连杆的一端铰接安装于上臂架内部形成铰接点，下臂架连杆的一端铰接安装于下臂架内部形成铰接点，下臂架和上臂架之间还设有配合设置的起重臂翻转导向结构。起重臂由展开状态至折叠状态过程，由液压泵站提供动力推动翻折液压缸回缩，带动上、下臂架连杆绕起重臂铰接点旋转进而带动上臂架绕上、下臂架铰接点旋转，直至上臂架折叠到位。
二、塔式起重机臂架装置的优化设计
1.臂架装置的优化设计的数学模型。臂架装置在设计中采用优化设计方法， 可以获得臂架相应的最优方案，节省设计时间。以塔式起重机臂架装置为主要研究对象，利用优化设计方法，获得臂架装置的优化设计模型如下。在塔式起重机平衡臂的优化设计中如何恰当地确定设计变量，对于目标函数的建立，优化方法的选择以及优化过程都有较大的影响。限制设计变量的数目，可以简化设计问题的数学模型。因此，应尽可能将那些对目标函数影响较小的参数，根据设计经验或实际要求取为常量，明确哪些是独立的并占主导地位的基本参数，从而选定为最基本的设计变量。根据臂架截面截图，可先优化截面的圆管的截面尺寸，圆管的直径尺寸是影响臂架受力和结构重量的独立参数，因此设臂架结构的优化设计模型的设计变量为臂架结构的总重量包括臂架截面的单肢上弦的圆管和两个单肢下弦（两个角钢组成的箱型梁），以及缀条（腹杆）。根据设计变量为圆管截面直径，臂架其它尺寸参数为已经量。确定臂架装置的总重量最轻作为目标函数。并且提取有限元模型中的总质量， 臂架装置整体的最大应力值，上弦杆的最大应力值和最大变形值等。利用优化模块，对臂架装置进行优化。确定上弦杆外部直径（m）和上弦杆内部直径（m）作为优化设计的设计变量，并按照臂架装置的最优化数学模型中的约束条件去规定它们的最大值和最小值；提取的臂架装置有限元模型的总质量作为目标函数；通过提取的最大应力值和最大变形值确定臂架装置的4 个约束条件作为臂架装置优化模型的状态变量，并且规定他们的最大值。
利用软件优化模块中的优化方法选择Sub-Problem，其中选择最大迭代次数，设定为30 次。最终得到塔式起重机臂架装置的优化设计模型的最优解。
2.对塔式起重机臂架结构分析与优化。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。
三、发展趋势探讨
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。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。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。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。
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。结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：
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