大载荷高处作业吊篮悬挂装置力学分析计算

张 勇，安一伟，李 亮， 常晓华

（1.本溪市特种设备监督检验所，辽宁 本溪 117000；2.辽宁省安全科学研究院，辽宁 沈阳 110003；3.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

大载荷高处作业吊篮悬挂装置力学分析计算

张 勇1，安一伟2，李 亮3， 常晓华2

（1.本溪市特种设备监督检验所，辽宁 本溪 117000；2.辽宁省安全科学研究院，辽宁 沈阳 110003；3.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

论文以自行研发设计的ZLP3000大载荷高处作业吊篮（简称吊篮）为原型，建立悬挂装置的简化力学模型，利用弯曲变形理论，分析悬挂装置在预紧和承受极限工作载荷两种工况下的力学特性，研究了吊点位置对钢丝绳受力的影响，为大载荷高处作业吊篮悬挂装置的结构优化分析提供了分析方法。

吊篮；悬挂装置；弯曲变形理论；力学特性

0 引言

大载荷高处作业吊篮是现代化工业与民用机械中用于高层建筑装修、外墙清洗和维修的主要建筑机械，由悬挂机构、悬吊平台、提升机、安全锁及控制箱等组成。目前，我国吊篮面临承载能力弱，跨度小，安全性能差等问题，同时建筑高处坠落安全事故频发的严峻事实也制约着我国高处作业设备的发展[1,2]。悬挂装置作为整个吊篮系统的支撑固定机构，其结构可靠性和有效工作对吊篮的承载能力和安全性能至关重要。

本文以ZLP3000型大载荷高处作业吊篮为研究对象，利用弯曲变形理论[3]，分析其重要承载部件—悬挂装置在预紧和承受极限工作载荷两种工况下的力学特性，对吊点位置对钢丝绳受力的影响进行研究，为大载荷高处作业吊篮悬挂装置的结构优化分析提供切实可行的分析方法。

1 悬挂装置力学模型建立及计算

1.1 悬挂装置力学模型建立

斜拉钢丝绳在悬挂装置中分为预紧和承受极限工作载荷两种工况[3,4]，在工作过程中起着决定性的作用。吊篮系统的支撑固定机构，详见图1。斜拉钢丝绳与上立柱连接如图2所示，钢丝绳与滑轮组成具有活动度的组合装置。建立模型计算时，应从以下两个方面进行思考：①连接位置的确定，首先应该尽可能的让斜拉钢丝绳1与斜拉钢丝绳2的拉力相等，使横梁受力范围增大以使梁结构得到改善，钢丝绳拉力的减小直接减小了连接套的受力；②分别移动斜拉钢丝绳2与横梁的前、后连接点，使钢丝绳的竖直分力尽量与外加载荷和配重平衡，可以很大程度上改善前、后横梁连接位置处得力学性能。

图1 大载荷高处作业吊篮悬挂装置结构图Fig.1 Schematic diagram of suspension rig

图2 钢丝绳滑轮结构Fig.2 Structure of wire rope pulley

图3 悬挂装置简化力学模型Fig.3 Simplified mechanics model of suspension rig

悬挂装置力学简化模型如图 3所示，前后座支架简化为固定支座，将斜拉钢丝绳 1的前连接点与悬挂架的连接点调整为A点，将斜拉钢丝绳 1的后连接点移至后梁与后座连接处E点。对钢丝绳滑轮系统进行简化，将两根斜拉钢丝绳分为 4段，均固定在斜拉钢丝绳与立柱连接处F点。

1.2 钢丝绳预紧状态下的计算

在悬挂装置工作过程中，为了保证悬挂装置的提升能力及减小前梁的变形，需要对斜拉钢丝绳进行预紧。如图4所示，在钢丝绳预紧力T1和T2的共同作用下，A点产生了Δ的变形，由弯曲变形理论的叠加原理可知，该变形可认为是钢丝绳预紧力T1和T2在A点挠度的叠加。

图4 悬挂装置承受预紧力示意图Fig.4 Schematic of suspension rig in pre-tightening condition

用公式表示A、B两点的挠度：

式中：E—弹性模量；I—梁截面惯性矩；W—梁截面抗弯模量；A—梁截面面积，其他参量见图4。

1.3钢丝绳承受极限工作载荷状态下的计算

承受极限工作载荷时，斜拉钢丝绳受预紧力和由极限工作载荷引起的拉力共同作用，承受极限工作载荷情况如图5所示。在预紧力和极限工作载荷共同作用下，A、B两点的变形分别为ΔA和ΔB，当变形ΔA和ΔB趋近于0时，认为斜拉钢丝绳承受力的状态最好。

用公式表示A、B两点的挠度：

图5 悬挂装置承受极限工作载荷示意图Fig.5 Schematic of suspension rig in the maximum load condition

式中：E—弹性模量；I—梁截面惯性矩；P—垂直吊臂的极限工作载荷；W—梁截面抗弯模量；A—梁截面面积，其他参量见图5。

2 ZLP3000型标准吊篮结构计算分析

高处作业吊篮是悬吊平台由柔性的钢丝绳悬挂，通过提升机驱动平台沿墙体上下运动，适用于施工人员和暂时堆放工具材料的建筑运输设备。基本性能参数直接影响吊篮的工作性能、制造成本、结构设计和安全保障。本文以ZLP3000大载荷高处作业吊篮的基本性能参数为初始依据，其主要性能参数如表1所示。

表1 ZLP3000高处作业吊篮悬挂装置主要技术性能参数Tab.1 The main technical parameters of ZLP3000

2.1 预紧工况斜拉钢丝绳力的计算

分别取不同的A点挠度值和钢丝绳2到支点距离，将表1中性能参数代入公式（2）和（3）可计算得钢丝绳预紧力和最大预紧力。钢丝绳安全系数n=8，钢丝绳允许拉力值计算结果见表2和表3。

从表3可知，在满足梁强度的条件下，斜拉钢丝绳2吊点位置改变对满足要求的斜拉钢丝绳预紧力影响较小，以Δ=0.2cm和Δ=0.4cm为例，斜拉钢丝绳2吊点相对于支点位置从39cm增加到104cm，预紧力分别减小886.32N和1772.65N。在预紧工况，满足梁强度的条件下，前梁端部的最大挠度在5mm左右。

表2 斜拉钢丝绳最大预紧力数值Tab.2 The MAXvalue of preload about cable-stayed steel wire rope

表3 斜拉钢丝绳预紧力数值Tab.3 The value of preload about cable-stayed steelwire rope

2.2 极限载荷工况斜拉钢丝绳力的计算

分别取不同的斜拉钢丝绳拉力值和钢丝绳2到支点距离，将表1中主要技术性能参数代入式（4）可计算得A点和B点挠度值，计算结果见表4。

从表4中可知，在满足钢丝绳拉力要求和梁强度的条件下，当钢丝绳拉力值一定时，随着斜拉将钢丝绳2吊点位置前移，梁A、B两点挠度值逐渐减小并趋于相等；当斜拉钢丝绳2到支点距离L2一定时，随着斜拉将钢丝绳拉力的增加，梁A、B两点挠度值逐渐减小并趋于相等。因此在设计中，可通过斜拉将钢丝绳2吊点位置前移来降低两根钢丝绳的拉力；随着前移距离的加大，可减小梁的受力范围，A、B点的挠度值趋于相同，使整个前梁受力更加均匀。

表4 承受工作极限载荷A点和B点挠度数值Tab.4 The conditions deflection value of the point A and point B with withstand maximum load work

3 结论

本文采用自行研发设计的ZLP3000大载荷高处作业吊篮为原型，建立悬挂装置的简化力学模型，利用弯曲变形理论，分析悬挂装置在预紧和承受极限工作载荷两种工况下的力学特性，得到结论如下：

（1）悬挂装置在预紧工况下，前梁端部的最大挠度在5mm左右，且斜拉钢丝绳2吊点位置改变对满足要求的斜拉钢丝绳预紧力影响较小，为钢丝绳吊点的布局提供依据。

（2）悬挂装置在极限载荷工况下，当钢丝绳拉力值为定值或斜拉钢丝绳2到支点距离L2为定值时，随着斜拉将钢丝绳2吊点位置前移，梁A、B两点挠度值逐渐减小并趋于相等，减小了梁的受力范围使梁的受力更加均匀。

（3）利用弯曲变形理论，分析了悬挂装置在预紧和承受极限工作载荷两种工况下的力学特性并得到吊点位置和钢丝绳受力之间的关系，为大载荷高处作业吊篮悬挂装置的结构优化分析提供了分析方法。

[1]陈建平.对我国高空作业平台产业发展的思考[J].建筑机械化，2010，9.

[2]饶兰，等.关于我国建筑施工事故若干问题研究[J].上海建材，2009，3.

[3]单祖辉.材料力学(Ⅰ)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]田申，等.吊篮悬挂机构的受力分析[J].建筑机械化，2013，8.

[5]刘洪轩，等.高处作业吊篮悬挂机构的静力分析[J].建筑机械化，2012，7.

Mechanical Analysis and Calculation of the Large Load Temporarily Installed Suspended Access Equipment Suspension Rig

ZHANG Yong1，AN Yi-Wei2，LI Liang3，CHANG Xiao-Hua2
(1.Benxi Especial Equipment Supervise Test Institute,Benxi Liaoning 117000,China；2.Liaoning Academy of Safety Science,Shenyang Liaoning 110003,China；3.Shenyang Blower Works Group Corporation,Shenyang Liaoning 110869,China）

In this paper,the large load temporarily installed suspended access equipment suspension rig(gondola)ZLP3000 will be used as an example to construct a simplified mechanics model,and mechanical property and wirerope force influenced by lifting position under the pretightening and maximum loading conditions will be analyzed based on the bending deformation theory.The modeling and analyzing process will contribute to the structure optimum design and research of high-loading suspension rig.

gondola；suspension rig；bending deformation theory；mechanical property

TH-39

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.003

1002－6673（2014）01－008－03

2013－12－29

张勇(1964-)，男，大学本科，本溪市特种设备监督检验所，高级工程师。主要从事电梯、起重机、厂内机动车辆检验工作。