張 勇，安一偉，李 亮， 常曉華

（1.本溪市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧 本溪 117000；2.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003；3.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

大載荷高處作業(yè)吊籃懸掛裝置力學(xué)分析計(jì)算

張 勇1，安一偉2，李 亮3， 常曉華2

（1.本溪市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧 本溪 117000；2.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003；3.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

論文以自行研發(fā)設(shè)計(jì)的ZLP3000大載荷高處作業(yè)吊籃（簡(jiǎn)稱(chēng)吊籃）為原型，建立懸掛裝置的簡(jiǎn)化力學(xué)模型，利用彎曲變形理論，分析懸掛裝置在預(yù)緊和承受極限工作載荷兩種工況下的力學(xué)特性，研究了吊點(diǎn)位置對(duì)鋼絲繩受力的影響，為大載荷高處作業(yè)吊籃懸掛裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供了分析方法。

吊籃；懸掛裝置；彎曲變形理論；力學(xué)特性

0 引言

大載荷高處作業(yè)吊籃是現(xiàn)代化工業(yè)與民用機(jī)械中用于高層建筑裝修、外墻清洗和維修的主要建筑機(jī)械，由懸掛機(jī)構(gòu)、懸吊平臺(tái)、提升機(jī)、安全鎖及控制箱等組成。目前，我國(guó)吊籃面臨承載能力弱，跨度小，安全性能差等問(wèn)題，同時(shí)建筑高處墜落安全事故頻發(fā)的嚴(yán)峻事實(shí)也制約著我國(guó)高處作業(yè)設(shè)備的發(fā)展[1,2]。懸掛裝置作為整個(gè)吊籃系統(tǒng)的支撐固定機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)可靠性和有效工作對(duì)吊籃的承載能力和安全性能至關(guān)重要。

本文以ZLP3000型大載荷高處作業(yè)吊籃為研究對(duì)象，利用彎曲變形理論[3]，分析其重要承載部件—懸掛裝置在預(yù)緊和承受極限工作載荷兩種工況下的力學(xué)特性，對(duì)吊點(diǎn)位置對(duì)鋼絲繩受力的影響進(jìn)行研究，為大載荷高處作業(yè)吊籃懸掛裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供切實(shí)可行的分析方法。

1 懸掛裝置力學(xué)模型建立及計(jì)算

1.1 懸掛裝置力學(xué)模型建立

斜拉鋼絲繩在懸掛裝置中分為預(yù)緊和承受極限工作載荷兩種工況[3,4]，在工作過(guò)程中起著決定性的作用。吊籃系統(tǒng)的支撐固定機(jī)構(gòu)，詳見(jiàn)圖1。斜拉鋼絲繩與上立柱連接如圖2所示，鋼絲繩與滑輪組成具有活動(dòng)度的組合裝置。建立模型計(jì)算時(shí)，應(yīng)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行思考：①連接位置的確定，首先應(yīng)該盡可能的讓斜拉鋼絲繩1與斜拉鋼絲繩2的拉力相等，使橫梁受力范圍增大以使梁結(jié)構(gòu)得到改善，鋼絲繩拉力的減小直接減小了連接套的受力；②分別移動(dòng)斜拉鋼絲繩2與橫梁的前、后連接點(diǎn)，使鋼絲繩的豎直分力盡量與外加載荷和配重平衡，可以很大程度上改善前、后橫梁連接位置處得力學(xué)性能。

圖1 大載荷高處作業(yè)吊籃懸掛裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of suspension rig

圖2 鋼絲繩滑輪結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of wire rope pulley

圖3 懸掛裝置簡(jiǎn)化力學(xué)模型Fig.3 Simplified mechanics model of suspension rig

懸掛裝置力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖 3所示，前后座支架簡(jiǎn)化為固定支座，將斜拉鋼絲繩 1的前連接點(diǎn)與懸掛架的連接點(diǎn)調(diào)整為A點(diǎn)，將斜拉鋼絲繩 1的后連接點(diǎn)移至后梁與后座連接處E點(diǎn)。對(duì)鋼絲繩滑輪系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將兩根斜拉鋼絲繩分為 4段，均固定在斜拉鋼絲繩與立柱連接處F點(diǎn)。

1.2 鋼絲繩預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算

在懸掛裝置工作過(guò)程中，為了保證懸掛裝置的提升能力及減小前梁的變形，需要對(duì)斜拉鋼絲繩進(jìn)行預(yù)緊。如圖4所示，在鋼絲繩預(yù)緊力T1和T2的共同作用下，A點(diǎn)產(chǎn)生了Δ的變形，由彎曲變形理論的疊加原理可知，該變形可認(rèn)為是鋼絲繩預(yù)緊力T1和T2在A點(diǎn)撓度的疊加。

圖4 懸掛裝置承受預(yù)緊力示意圖Fig.4 Schematic of suspension rig in pre-tightening condition

用公式表示A、B兩點(diǎn)的撓度：

式中：E—彈性模量；I—梁截面慣性矩；W—梁截面抗彎模量；A—梁截面面積，其他參量見(jiàn)圖4。

1.3鋼絲繩承受極限工作載荷狀態(tài)下的計(jì)算

承受極限工作載荷時(shí)，斜拉鋼絲繩受預(yù)緊力和由極限工作載荷引起的拉力共同作用，承受極限工作載荷情況如圖5所示。在預(yù)緊力和極限工作載荷共同作用下，A、B兩點(diǎn)的變形分別為ΔA和ΔB，當(dāng)變形ΔA和ΔB趨近于0時(shí)，認(rèn)為斜拉鋼絲繩承受力的狀態(tài)最好。

用公式表示A、B兩點(diǎn)的撓度：

圖5 懸掛裝置承受極限工作載荷示意圖Fig.5 Schematic of suspension rig in the maximum load condition

式中：E—彈性模量；I—梁截面慣性矩；P—垂直吊臂的極限工作載荷；W—梁截面抗彎模量；A—梁截面面積，其他參量見(jiàn)圖5。

2 ZLP3000型標(biāo)準(zhǔn)吊籃結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

高處作業(yè)吊籃是懸吊平臺(tái)由柔性的鋼絲繩懸掛，通過(guò)提升機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)沿墻體上下運(yùn)動(dòng)，適用于施工人員和暫時(shí)堆放工具材料的建筑運(yùn)輸設(shè)備。基本性能參數(shù)直接影響吊籃的工作性能、制造成本、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全保障。本文以ZLP3000大載荷高處作業(yè)吊籃的基本性能參數(shù)為初始依據(jù)，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 ZLP3000高處作業(yè)吊籃懸掛裝置主要技術(shù)性能參數(shù)Tab.1 The main technical parameters of ZLP3000

2.1 預(yù)緊工況斜拉鋼絲繩力的計(jì)算

分別取不同的A點(diǎn)撓度值和鋼絲繩2到支點(diǎn)距離，將表1中性能參數(shù)代入公式（2）和（3）可計(jì)算得鋼絲繩預(yù)緊力和最大預(yù)緊力。鋼絲繩安全系數(shù)n=8，鋼絲繩允許拉力值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

從表3可知，在滿足梁強(qiáng)度的條件下，斜拉鋼絲繩2吊點(diǎn)位置改變對(duì)滿足要求的斜拉鋼絲繩預(yù)緊力影響較小，以Δ=0.2cm和Δ=0.4cm為例，斜拉鋼絲繩2吊點(diǎn)相對(duì)于支點(diǎn)位置從39cm增加到104cm，預(yù)緊力分別減小886.32N和1772.65N。在預(yù)緊工況，滿足梁強(qiáng)度的條件下，前梁端部的最大撓度在5mm左右。

表2 斜拉鋼絲繩最大預(yù)緊力數(shù)值Tab.2 The MAXvalue of preload about cable-stayed steel wire rope

表3 斜拉鋼絲繩預(yù)緊力數(shù)值Tab.3 The value of preload about cable-stayed steelwire rope

2.2 極限載荷工況斜拉鋼絲繩力的計(jì)算

分別取不同的斜拉鋼絲繩拉力值和鋼絲繩2到支點(diǎn)距離，將表1中主要技術(shù)性能參數(shù)代入式（4）可計(jì)算得A點(diǎn)和B點(diǎn)撓度值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中可知，在滿足鋼絲繩拉力要求和梁強(qiáng)度的條件下，當(dāng)鋼絲繩拉力值一定時(shí)，隨著斜拉將鋼絲繩2吊點(diǎn)位置前移，梁A、B兩點(diǎn)撓度值逐漸減小并趨于相等；當(dāng)斜拉鋼絲繩2到支點(diǎn)距離L2一定時(shí)，隨著斜拉將鋼絲繩拉力的增加，梁A、B兩點(diǎn)撓度值逐漸減小并趨于相等。因此在設(shè)計(jì)中，可通過(guò)斜拉將鋼絲繩2吊點(diǎn)位置前移來(lái)降低兩根鋼絲繩的拉力；隨著前移距離的加大，可減小梁的受力范圍，A、B點(diǎn)的撓度值趨于相同，使整個(gè)前梁受力更加均勻。

表4 承受工作極限載荷A點(diǎn)和B點(diǎn)撓度數(shù)值Tab.4 The conditions deflection value of the point A and point B with withstand maximum load work

3 結(jié)論

本文采用自行研發(fā)設(shè)計(jì)的ZLP3000大載荷高處作業(yè)吊籃為原型，建立懸掛裝置的簡(jiǎn)化力學(xué)模型，利用彎曲變形理論，分析懸掛裝置在預(yù)緊和承受極限工作載荷兩種工況下的力學(xué)特性，得到結(jié)論如下：

（1）懸掛裝置在預(yù)緊工況下，前梁端部的最大撓度在5mm左右，且斜拉鋼絲繩2吊點(diǎn)位置改變對(duì)滿足要求的斜拉鋼絲繩預(yù)緊力影響較小，為鋼絲繩吊點(diǎn)的布局提供依據(jù)。

（2）懸掛裝置在極限載荷工況下，當(dāng)鋼絲繩拉力值為定值或斜拉鋼絲繩2到支點(diǎn)距離L2為定值時(shí)，隨著斜拉將鋼絲繩2吊點(diǎn)位置前移，梁A、B兩點(diǎn)撓度值逐漸減小并趨于相等，減小了梁的受力范圍使梁的受力更加均勻。

（3）利用彎曲變形理論，分析了懸掛裝置在預(yù)緊和承受極限工作載荷兩種工況下的力學(xué)特性并得到吊點(diǎn)位置和鋼絲繩受力之間的關(guān)系，為大載荷高處作業(yè)吊籃懸掛裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供了分析方法。

[1]陳建平.對(duì)我國(guó)高空作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考[J].建筑機(jī)械化，2010，9.

[2]饒?zhí)m，等.關(guān)于我國(guó)建筑施工事故若干問(wèn)題研究[J].上海建材，2009，3.

[3]單祖輝.材料力學(xué)(Ⅰ)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]田申，等.吊籃懸掛機(jī)構(gòu)的受力分析[J].建筑機(jī)械化，2013，8.

[5]劉洪軒，等.高處作業(yè)吊籃懸掛機(jī)構(gòu)的靜力分析[J].建筑機(jī)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

張勇(1964-)，男，大學(xué)本科，本溪市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，高級(jí)工程師。主要從事電梯、起重機(jī)、廠內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)輛檢驗(yàn)工作。