李玉杰，謝丹蕾，李 沿，孔園春

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065001）

擦窗機(jī)作為一種常設(shè)高空作業(yè)載人設(shè)備，對(duì)其安全性和可靠性要求非常高，各個(gè)部件都必須具有足夠的強(qiáng)度和承載力，特別是擦窗機(jī)的底座，承載著整個(gè)擦窗機(jī)的重量及其載荷，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臂長30m以上的擦窗機(jī),底座的外形尺寸達(dá)到了3.5m×3.5m～4m×4m，在滿足承載力的要求下，組裝運(yùn)輸方便也是設(shè)計(jì)的重要參數(shù)要求之一?；谶@些設(shè)計(jì)需求，我們提出了一種新的底座組裝連接方式，通過計(jì)算以及實(shí)際工程應(yīng)用表明，該底座具有可推廣性。

1 擦窗機(jī)整體結(jié)構(gòu)

擦窗機(jī)主要由臂頭、伸縮吊臂、立柱、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、底座等組成，如圖1所示。擦窗機(jī)工作時(shí)，放置在建筑物樓頂，主要通過臂頭、伸縮吊臂、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來使吊船接近建筑物的外立面，完成建筑物外立面的清洗、保養(yǎng)以及維護(hù)工作。

圖1 擦窗機(jī)主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 底座的結(jié)構(gòu)形式

圖2是兩種底座連接方式的結(jié)構(gòu)示意圖，本文所研究的底座主梁和側(cè)梁連接方式是銷接，以往的連接方式是螺栓連接。銷接工作可靠，拆卸方便；螺栓連接雖然能精確固定被連結(jié)件的位置和承受一定的橫向力，但是加工精度要求高。

圖2 底座結(jié)構(gòu)示意圖

該底座4m×4m的尺寸可分解為主梁2m×3.5m和側(cè)梁0.3m×4m的外形尺寸，這樣的安裝連接方式便于運(yùn)輸。

3 底座危險(xiǎn)工況的確定

擦窗機(jī)的底座要承受所有部件的重量及其工作載荷，這些載荷可簡化為回轉(zhuǎn)以上的力P1（旋轉(zhuǎn)部件載荷）和回轉(zhuǎn)以下的力P2，繞著旋轉(zhuǎn)部件重心的前后彎矩差M，這些表現(xiàn)在底座上的力是4個(gè)輪壓，如圖3所示，輪壓計(jì)算公式如下。

式中α——吊臂與底座中心線的夾角，與主回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度有關(guān)；

P1——回轉(zhuǎn)以上部件的重量；

P2——回轉(zhuǎn)以下部件的重量；

Mx、My——旋轉(zhuǎn)部分載荷向旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)化的力矩在x、y方向的分力矩；

La、Lb——分別是底座的軌距和輪距。

圖3 輪壓計(jì)算示意圖

P1，P2是設(shè)備所有部件的自重以及所有載荷，是常量，M是繞著旋轉(zhuǎn)部件重心的前后力矩差，與回轉(zhuǎn)以上部分的重心有關(guān)系，重心不變，相對(duì)也是常量。顯然，當(dāng)a=45°時(shí)，輪壓最大，即底座受力最大，此工況為底座最危險(xiǎn)工況。經(jīng)計(jì)算，可得各輪壓如下：Rt1=33.8kN，Rt2=92.5kN，Rd1=92.5kN，Rd2=161.3kN，可見，最大輪壓Rd2=161.3kN。

4 底座側(cè)梁的計(jì)算

側(cè)梁最危險(xiǎn)截面是側(cè)梁與主梁銷接處，側(cè)梁受力示意和截面如圖4所示。

圖4 側(cè)梁受力示意和截面圖

圖4中，F(xiàn)等于最大輪壓Rd2，即F=161.3kN；L=0.65m。

截面的抗彎模量W1=1010667mm3；則

側(cè)梁的材料是Q235B,根據(jù)GB19154-2017要求，安全系數(shù)n=1.5。則：

滿足強(qiáng)度要求。

5 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算

擦窗機(jī)的底座承載著整個(gè)擦窗機(jī)的重量及其載荷，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)計(jì)算方法在整體應(yīng)力和變形及其局部應(yīng)力計(jì)算都受到了一定的限制。用有限元方法對(duì)擦窗機(jī)底座進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，既提高了工作效率又可使計(jì)算精度大大提高。

在有限元計(jì)算中，模型的簡化至關(guān)重要。底座是箱形結(jié)構(gòu)，為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，底座金屬結(jié)構(gòu)采用板殼單元進(jìn)行模擬，立軸及其驅(qū)動(dòng)輪軸都用梁單位模擬，由上述可知底座最危險(xiǎn)的工況為吊臂夾角為45°時(shí)的工況，為了模擬吊臂45°方向?qū)Φ鬃芰Φ挠绊?，模型還包括了伸縮吊臂和立柱，兩者都用梁單元模擬。

由計(jì)算結(jié)果可知，底座最大應(yīng)力為113MPa，滿足強(qiáng)度要求。最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)臂與主臂連接銷子附近上蓋板與腹板的連接處，說明兩立軸的距離決定著附近側(cè)臂蓋板和腹板連接處應(yīng)力的大?。蛔畲笪灰茷?.8mm，在底座的跨中位置，滿足GB19154-2017撓度不大于1/200的要求，滿足剛度要求。因此該底座在額定載荷下，能保證安全工作。

6 結(jié) 語

該底座在車間組裝過程中拆卸方便，已經(jīng)應(yīng)用在多個(gè)工程項(xiàng)目中，擦窗機(jī)在運(yùn)行過程中，底座受力平穩(wěn)，工作可靠。