尹奕明， 劉士明

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

發(fā)展裝配式建筑是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措， 為此政府制定一系列對(duì)應(yīng)的制度政策，要求裝配式建筑企業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，完成建筑及構(gòu)件研發(fā)與生產(chǎn)的規(guī)?；ㄟ^(guò)核心技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，提高效率和具體落實(shí)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程機(jī)械化和現(xiàn)代化，逐步實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化和智能化[1，2]。目前，我國(guó)高層裝配式建筑主要以傳統(tǒng)的塔式起重機(jī)為主進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的吊裝作業(yè)，國(guó)內(nèi)外都采用流動(dòng)式起重機(jī)為主，對(duì)低層工業(yè)化建筑構(gòu)件吊裝施工[3]。對(duì)于采用傳統(tǒng)起重機(jī)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件吊裝的裝配式建筑， 在吊運(yùn)預(yù)制構(gòu)件就位安裝過(guò)程中存在一系列問(wèn)題，包括構(gòu)件姿態(tài)難以控制、構(gòu)件安裝就位準(zhǔn)確度差等。 針對(duì)裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工中存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多建筑施工單位和研究人員設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了部分針對(duì)工業(yè)化建筑施工的智能建造系統(tǒng)[4]。自動(dòng)一體化建造系統(tǒng)，施工作業(yè)通過(guò) “流水線” 形式完成， 例如日本研發(fā)的“ABCS”和“BIG-CANOPY”智能建造系統(tǒng)的工作平臺(tái)可附著在建筑施工平面上方的， 平臺(tái)懸掛有布料機(jī)以及構(gòu)件吊運(yùn)裝置，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的運(yùn)輸與吊裝功能[5，6]。 另外歐美部分國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝施工所用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，機(jī)械吊臂以及施工機(jī)器人的研發(fā)[7，8]。 我國(guó)為推動(dòng)裝配式建筑構(gòu)件施工現(xiàn)場(chǎng)的高效吊裝安裝，在“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中設(shè)立了“施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件高效吊裝安裝關(guān)鍵技術(shù)與裝備”專(zhuān)項(xiàng)。 同時(shí)，在國(guó)內(nèi)有眾多的企業(yè)對(duì)裝配式建筑工業(yè)化施工問(wèn)題進(jìn)行研究。 西安建筑科技大學(xué)的王帥[9]研究了鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝自動(dòng)取放吊具的研究與設(shè)計(jì)， 采用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)高效吊裝設(shè)備進(jìn)行總體及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)， 并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了力學(xué)分析。

綜上所述， 本文為提高裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)的高效吊裝， 采用SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)研發(fā)了一種六自由度試驗(yàn)用高效吊裝設(shè)備， 提出基于液壓系統(tǒng)的剪叉機(jī)構(gòu)，并對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 試驗(yàn)用構(gòu)件高效吊裝設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)

1.1 吊裝設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)

構(gòu)件高效吊裝設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 主要由行走臺(tái)車(chē)系統(tǒng)，行走小車(chē)，固定支撐架，起重承載梁，專(zhuān)用吊具組成，其中專(zhuān)用吊具與行走小車(chē)通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐連接。在圖1 所示中的專(zhuān)用吊具主要用于進(jìn)行豎向構(gòu)件的吊裝，其由2 個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)的伸縮式剪叉機(jī)構(gòu)、兩個(gè)剪叉間距調(diào)整機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)支撐架等組成。 預(yù)制構(gòu)件通過(guò)起重承載梁沿固定支撐架的行走、 行走小車(chē)沿起重承載梁水平移動(dòng)和伸縮式剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3 個(gè)方向的水平移動(dòng)，由回轉(zhuǎn)支撐實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 通過(guò)分別控制剪叉機(jī)構(gòu)的伸縮量調(diào)整構(gòu)件的安裝角度， 通過(guò)調(diào)整兩個(gè)伸縮式剪叉之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件吊點(diǎn)的改變。因此，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用預(yù)制構(gòu)件高效吊裝設(shè)備具有六個(gè)自由度，通過(guò)操作系統(tǒng)的控制， 專(zhuān)用吊具將預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)桨惭b位置，并同時(shí)完成姿態(tài)調(diào)整與就位安裝，從而解決傳統(tǒng)吊裝裝置中需要人工輔助作業(yè)的問(wèn)題， 提高吊裝作業(yè)的整體效率和安全性。

圖1 裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件吊裝裝置的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of the assembly-type building prefabricated member hoisting device

1.2 高效吊裝設(shè)備的工作原理

試驗(yàn)用預(yù)制構(gòu)件吊裝設(shè)采用類(lèi)似雙梁門(mén)式起重機(jī)的總體布局形式，具有大車(chē)行走機(jī)構(gòu)、小車(chē)行走機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)，并在行走小車(chē)上掛有360°回轉(zhuǎn)專(zhuān)用吊具，其專(zhuān)用吊具實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件升降運(yùn)動(dòng)、 吊鉤間距調(diào)整和構(gòu)件姿態(tài)調(diào)整功能。

起升機(jī)構(gòu)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩組剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)， 滑動(dòng)機(jī)架和剪叉機(jī)構(gòu)頂部鉸點(diǎn)相連， 通過(guò)液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)為剪叉機(jī)構(gòu)的升降提供驅(qū)動(dòng)力。 兩組剪叉機(jī)構(gòu)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)， 進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件傾斜角度的姿態(tài)調(diào)整，如圖2 所示。

圖2 液壓驅(qū)動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)Fig.2 Hydraulic-driven fork mechanism

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為典型的起重機(jī)械回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)， 回轉(zhuǎn)上支座頂部與行走小車(chē)固定連接， 回轉(zhuǎn)下支座與吊具框架連接， 回轉(zhuǎn)上支座與回轉(zhuǎn)下支座之間用回轉(zhuǎn)支撐連接。 通過(guò)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿回轉(zhuǎn)， 使吊具框架帶動(dòng)整個(gè)專(zhuān)用吊具繞回轉(zhuǎn)支撐軸線轉(zhuǎn)動(dòng)即實(shí)現(xiàn)構(gòu)件在水平面內(nèi)姿態(tài)調(diào)整，如圖3 所示。

圖3 起重回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)Fig.3 Lifting and rotating support structure

機(jī)構(gòu)間距的調(diào)整采用電動(dòng)推桿、 電機(jī)和機(jī)架采用對(duì)稱(chēng)分布的形式， 電動(dòng)推桿和滑動(dòng)機(jī)架， 滑動(dòng)機(jī)架與剪叉機(jī)構(gòu)上端都采用固定連接的方式， 滑動(dòng)機(jī)架與吊梁上直線導(dǎo)軌采用滑動(dòng)連接的方式，如圖4 所示。

圖4 吊鉤間距調(diào)整裝置Fig.4 Hook spacing adjusting device

2 剪叉機(jī)構(gòu)有限元仿真

2.1 單元的選擇和連接結(jié)構(gòu)件處理

剪叉機(jī)構(gòu)的剪叉桿全部是方鋼制作而成， 在有限元分析中單元類(lèi)型選用Beam188。 剪叉機(jī)構(gòu)中液壓油缸是二力桿構(gòu)件，選用Link180 單元進(jìn)行模擬。

在實(shí)際工作中， 剪叉桿和連接桿鉸接點(diǎn)是通過(guò)軸連接，剪叉桿鉸接點(diǎn)處可以相對(duì)轉(zhuǎn)對(duì)，在建模過(guò)程中，需要解決各部分的連接問(wèn)題。本文有限元分析中，采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)來(lái)模擬各個(gè)部分的連接。CPINTF 命令可以將相同界面上節(jié)點(diǎn)位置在誤差范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)耦合，并能一次自動(dòng)耦合大量節(jié)點(diǎn)， 對(duì)于剪叉桿之間的鉸接使用CPINTF 命令來(lái)耦合將更簡(jiǎn)便而有效。

2.2 參數(shù)化進(jìn)行有限元模型的建立

通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL 編寫(xiě)剪叉機(jī)構(gòu)建模的命令流文件，生成剪叉機(jī)構(gòu)的有限元模型。 其中剪叉桿和連接桿材料選用鋼Q345。液壓油缸部分選取活塞桿的直徑， 其面積為1600mm2實(shí)心圓管，油缸座選用φ15×15mm 圓管，最下端的連接桿選用φ20×2.5mm 圓管。 選取滑塊兩個(gè)位置進(jìn)行分析： 最大行程550mm，最小行程260mm。整個(gè)剪叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的有效行程為975mm。 剪叉機(jī)構(gòu)中材料的彈性模量E=2.05e5MPa， 泊 松 比μ=0.3， 質(zhì) 量 密 度 取ρ=7850kg/m3。 最終的有限元模型如圖5 所示， 模型中含有節(jié)點(diǎn)346 個(gè)，單元345 個(gè)。

圖5 剪叉機(jī)構(gòu)的有限元模型Fig.5 Finite element model of shear fork mechanism

2.3 施加邊界條件

本文研究設(shè)計(jì)的剪叉機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中， 剪叉機(jī)構(gòu)的兩種極限位置工況分別為頂端滑塊最大行程與最小行程，在平臺(tái)額定載荷的作用下，計(jì)算剪叉機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的變形和應(yīng)力情況。 對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)于頂端滑塊鉸接點(diǎn)施加x、y、z 的3 個(gè)方向平動(dòng)自由度和繞x、z 的2 個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束。 考慮剪叉機(jī)構(gòu)的自重， 其重力加速度g=9.8m/s2，在最下端吊鉤連接軸施加額定載荷200kg。

2.4 分析結(jié)果

當(dāng)ANSYS 求解器完成求解后， 進(jìn)入ANSYS 后處理器，在后處理器中，可以獲取模型計(jì)算后各種結(jié)果信息?？傻玫絻煞N極限位置工況下剪叉機(jī)構(gòu)的位移和應(yīng)力云圖，位移和應(yīng)力云圖如圖6、7 所示。

圖6 滑塊最小行程剪叉機(jī)構(gòu)的變形與應(yīng)力云圖Fig.6 Deformation and stress nephogram of the minimum stroke fork mechanism of the slide block

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知， 剪叉機(jī)構(gòu)最大變形位于剪叉機(jī)構(gòu)末端， 最大變形25.7mm。 在滑塊處于最大行程550mm 時(shí)所受應(yīng)力最大值為253.19MPa， 位于液壓油缸座與剪叉桿焊接周?chē)?其余部位的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力256MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖7 滑塊最大行程剪叉機(jī)構(gòu)的變形與應(yīng)力云圖Fig.7 Deformation and stress cloud diagram of maximum stroke shear fork mechanism of slider

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Solidworks 和Ansys 建立了試驗(yàn)用構(gòu)件高效吊裝設(shè)備三維CAD 的模型和有限元分析模型，對(duì)其關(guān)進(jìn)部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出如下結(jié)論：

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用預(yù)制構(gòu)件吊裝設(shè)備， 能夠滿(mǎn)足實(shí)際豎向構(gòu)件吊運(yùn)和安裝調(diào)姿功能， 為預(yù)制構(gòu)件高效吊裝運(yùn)動(dòng)控制和仿真提供了三維樣機(jī)。

利用APDL 語(yǔ)言建立了剪叉機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析模型，并進(jìn)行了靜力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的剪叉機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求， 為為實(shí)際構(gòu)件高效吊裝設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。