刚性变幅船用起重机臂架结构计算方法

邹士勇

(中国船级社江苏分社，江苏 南京 210011)



刚性变幅船用起重机臂架结构计算方法

邹士勇

(中国船级社江苏分社，江苏 南京 210011)

通过对中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》中对刚性变幅的船用臂架起重机计算要求进行分析和整理，结合起重机械方面专业书籍对相关结构的计算方法，给出了比较适合这类船用起重机臂架结构的计算方法，其中包括对该类型的起重机的单梁箱形变截面等强度臂架结构强度和变形扰度的计算分析。计算结果要求：结构强度应小于所用材料许用应力，变形扰度应满足Y方向变形[Σy] ≤1/40和X方向变形[Σx] ≤1/100的要求。通过对船上刚性变幅船用起重机臂架结构的计算应用，该类起重机在实际各种工况下使用中无结构损坏和变形，证实了该计算方法完全符合刚性变幅船用起重机臂架结构安全要求。

起重机；刚性变幅；长细比；结构强度；刚度计算

0　引言

船用起重机主要用于起货和起吊杂物。起货用起重机一般承载力较大且使用较为频繁，杂物用起重机通常吨位较小且使用频次少。目前货物起重机的主要形式为钢丝绳变幅型臂架起重机，杂物起重机的主要形式为油缸变幅型臂架起重机、轨道平移式起重机，其中油缸变幅型臂架起重机又称刚性变幅船用起重机。

刚性变幅船用起重机在许多船舶上得到应用，主要作为服务用起重机、备件备品起重机。它结构简单，强度比较高，吊机重心较低，重量较轻，运动部件少，易于安装，但其结构中有很大一部分是单梁箱形变截面等强度臂架。由于端部没有变幅绳的张力的约束，臂架要承载较大的弯矩，容易引起安全隐患，甚至造成人员伤亡、货物损失及船舶设备损坏，因此应对此类结构形式的臂架进行分析，确保其使用安全。

1　臂架结构形式和结构特点

1.1臂架结构形式

刚性变幅(主要是通过油缸变幅)的臂架结构主要由底座、回转支承、塔身、变幅油缸、起升机构、吊臂、钢丝绳、吊钩等组成，其结构形式示意图如图1所示。

1.底座　2.回转支承　3.塔身　4.变幅油缸　5.起升机构　6.吊臂　7.钢丝绳　8.吊钩

1.2臂架结构特点

根据该起重机的受力特点，该类船用起重机臂架结构一般为变截面箱形结构形式，其臂架折算惯性矩计算简图如图2所示。由于结构刚度较高，为了减轻臂架自重载荷，尽量做到等强度设计，从油缸支承点到臂架端部截面尺寸不断减少，适合根据其悬臂受力弯矩不断减少的受力要求。

I1～I7,I11～I14：截面的实际惯性矩　A：臂架头部吊重物端　B：油缸支撑　C：臂架尾部塔身连接处　L：臂架长度　L1：臂架前段长度　L2：臂架后段长度　F：臂架顶端外力

该类船用起重机臂架结构形式和受力方式具有以下几个特点:

(1)支承形式：2点铰支并外伸悬臂结构形式。

(2)结构形式：双向不对称变截面箱形焊接结构。

(3)受力形式：以弯曲为主，兼有少量的轴向压力，随着臂架仰角变化，弯矩变小，而轴向压力增大。

2　臂架计算方法

2.1规范计算方法

根据《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》第3章第2节，刚性变幅船用起重机属于普通起重机中起货设备范畴，因而其臂架适用于第3.2.17条款：同时承受压力和弯曲的构件，应力衡准应按式(1)校核稳定性：

σm/σs+σc/σcr≤1/n

(1)

式中：σm为构件承受的弯曲应力，MPa；σc为构件承受的压应力，MPa；σs为钢材屈服强度，MPa；σcr为构件的临界压应力，MPa。

σcr由构件的长细比λ和截面形状决定，但是对于这种臂架结构和受力形式，《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》没有其长细比的计算方法，因而也就无法查取σcr数值。

事实上，《起重机设计规范》和《起重机设计手册》等相关文献中涉及结构计算内容中都没有给出这种臂架结构的长细比λ计算方法。

《起重机设计规范》规定的长细比λ计算的结构形式主要是以下几种情形，计算时必须满足其中的条件之一：

(1)轴心受压构件(偏心受压构件都不适用)。

(2)两端绞支或者是一端固定支撑一端悬臂。

(3)构件的回转半径不变，或者截面积不变(截面积变化也是沿轴线长度方向对称变化)。

《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》第3.2.18.1条校核起重机臂架整体稳定性时，需校核在臂架变幅和回转平面2个方向的稳定性的要求，只是针对由钢索支持的常规形式臂架。

而本文所讨论的是非常规形式臂架—2点铰支、悬臂外伸结构臂架形式，不满足《起重机设计规范》规定的3个条件中任何1个条件，也不能简单地运用式(1)校核其稳定性和依照《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》第3.2.18.1条要求对该类型起重机臂架校核在变幅和回转平面2个方向的整体稳定性。

2.2实际情况计算方法的应用

对于刚性变幅船用起重机一般是按下面的方法进行计算臂架整体和局部强度以及通过臂架结构的静刚性计算来校核起重机的稳定性的。

2.2.1按2点铰支并外伸悬臂梁分析应力

在最大工作幅度(臂架水平)起升安全工作负荷时，刚性变幅起重机臂架结构承受最大倾覆力矩，此时臂架处于最危险工况。按式(2)计算出的实际屈服应力σcs应在钢材的基本许用应力[σ]范围内，钢材的基本许用应力[σ]按《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》第3.2.16条要求计算。

σcs=((σm+σc)2+3τ)1/2≤[σ]

(2)

式中：τ为剪切应力, MPa；[σ]为钢材的基本许用应力，MPa。

同时求出此工作条件下与塔身连接支座处的最大支持反力PCy、PCz和求出臂架在最大幅度时油缸的推力Fy、Fz。臂架受力分析图如图3所示。

A：臂架头部吊重物端　B：油缸上支撑　C：臂架尾部塔身连接处　D：油缸下支撑　SWL：工作负载　Gb：吊臂重量　Gh：吊具重量　Gc：油缸重量　b：油缸中心距　Lb：臂架重心　Lj：吊臂总长　a：水平轴距　n：垂直轴距　α、β：夹角　Fz、Fy：油缸支撑B处支持反力　PCy、PCz：塔身连接处支座C处的最大支持反力

对A支点取矩为零：∑MA=0

ψhLj(SWL+Gh)+LbGb+bGc-aFycosθ-

nFzcosθ=0

式中：θ为吊臂变幅角度；ψh为动载系数。

Fy/Fz=tan(β-α)，求出Fz，Fy。

对B支点取矩为零：∑MB=0

ψh(Lj-a)(SWL+Gh)+(Lb-a)Gb-

(a-b)Gc-aPCycosθ+nPCzcosθ=0

Fz=PCz，求出PCy。

油缸支撑B处受力分析如图4所示。根据图4得出：M=FyLk+Fzh，通过σm=M/WB、σc=F′/A、τ=Fy/A′求出截面的σm、σc和τ，再用式(2)对临近支座处的臂架危险截面B进行强度校核。其中：M为弯矩，N·m；WB为B点处的截面模数，mm3；h为臂架B点处的截面中心高，mm；Lk为臂架B、C两点间距离,mm；F′为货物对臂架压力，N；A′为臂架B处截面积，mm2。

需要说明的是，由于塔身结构不同，油缸最大推力出现在臂架仰角的角度也不同，通常油缸最大推力出现在臂架仰角15°左右处，此时油缸最大推力比臂架水平工作时推力虽然增大了一些，但对结构强度计算影响不大。为简便计算，仍然取水平状态进行计算。

B：油缸支撑处　C：塔身连接处

2.2.2臂架在变幅平面和回转平面的静刚度

根据《起重机设计手册》中相关要求，为防止臂架端部变形过大而影响起重机正常工作，应对臂架端部的位移进行限制，可参照伸缩臂起重机吊臂变形的相关要求：臂架顶端在变幅平面内的移位Σy应不大于臂架实际长度的1/30～1/50，取：

[Σy] ≤1/40

(3)

同时臂架端部在回转平面内加载5%额定工作负荷时，其顶端侧向位移不大于臂架总长度L的1/100。考虑到船舶倾斜、风力及起升绳偏摆等因素，计算船用起重机臂架静刚度时在回转平面内以加载10%的额定工作负荷计算其水平位移，取：

[Σx] ≤1/100

(4)

对于这种2点铰支、悬臂外伸结构臂架形式《起重机设计手册》第2篇第7章第3节臂架系统结构设计中提供了以下计算位移近似方法：

1/I″c= 16/(1/I7+4/I6+9/I5+16/I4)

2.2.3臂架结构的局部稳定性

箱形臂架结构受压翼板通过控制其宽厚比来保

证局部稳定性。当翼板宽度较大时用设置纵向加劲肋来减小宽厚比，油缸支撑B处截面积图(受压翼缘板)如图5所示。其宽厚比根据《起重机设计手册》第2篇第1章第5节受弯构件来计算。

(1)受压翼缘板外伸部分的宽厚比：

b/t≤15 (235/σs)1/2

(5)

(2)箱形板在腹板之间受压翼板的宽厚比：

b0/t≤60 (235/σs)1/2

(6)

t：下板厚度　b、b0：板宽

当翼板宽度较大时，应设置1道或多道劲肋，划分出来的区格宽度b0同样应满足式(6)的要求。满足上述条件且翼板中计算应力不大于0.8[σ]可以不必验算其受压翼缘板的局部稳定性。通常第(1)条件都很容易满足，设计中要注意的是第(2)条件若不能满足，需在臂架底板上都要加上纵向劲肋以减小宽厚比。

3　结语

本文讨论的油缸变幅的船用起重机根据起重能力的不同，有的是单个变幅油缸，有的因起重机较大配有2个变幅油缸。对于后者来说臂架结构较宽，结构刚度较好，但翼缘板较宽，需注意板的局部稳定性。对于单个油缸变幅的臂架相对较窄，尤其是悬臂比较长的臂架不但要校核强度，也要校核其结构静态刚度，才能确保起重机的使用安全。

例如某5 000 t半潜驳上的5 t 29 m液压杂物吊属于刚性变幅船用起重机。通过上述方法计算，其臂架强度符合要求。该起重机在实际各种工况下使用中无结构损坏和变形，更证实了该计算方法是完全符合刚性变幅船用起重机臂架结构安全要求。

[1]张质文，邹胜，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社， 2013.

[2]国家质量监督检验检疫总局.起重机设计规范：GB/T 3811—2008[S].北京：中国标准出版社， 2008.

[2]中国船检级社.船舶与海上设施起重设备规范[M].北京：人民交通出版社，2008.

2016-01-29

邹士勇(1977—)，男，工程师，从事船舶审图工作。

U661.4

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