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折臂式擦窗機是對異型立面高層建筑外墻清洗和維護的專用設(shè)備，主臂架是折臂擦窗機的主要承載部件之一，由折臂支撐和主吊臂構(gòu)成，對其進(jìn)行精確的有限元分析，強度計算和校核，可以指導(dǎo)設(shè)計和保證整機的安全。由于主臂架結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)復(fù)雜，傳統(tǒng)力學(xué)計算方法很難獲得其整體變形和應(yīng)力分布狀態(tài)。本文在對CD250型折臂式擦窗機工作過程整體力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，確定了主臂架最危險受力工況及其載荷，采用有限元軟件ANSYS對主臂架進(jìn)行了強度分析。根據(jù)分析結(jié)果，提出了折臂支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，改進(jìn)后折臂支撐最大應(yīng)力值減小，應(yīng)力分布更趨均勻，表明該改進(jìn)方案合理，對此類折臂式擦窗機的設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。
CD250型折臂式擦窗機結(jié)構(gòu)簡圖見圖。該擦窗機主臂架主要由折臂支撐6和主吊臂4組成，折臂支撐由兩塊側(cè)板通過多個筋板和腹板焊接成箱形結(jié)構(gòu)，通過上回轉(zhuǎn)機構(gòu)5與主吊臂相連，可相對主吊臂在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。折臂支撐下端與折臂9和拉桿8鉸接，通過油缸7實現(xiàn)折臂俯仰的同時保持小臂10的水平。主吊臂4為鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部用筋板加強，主臂前端通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)與折臂支撐連接，后部裝有卷揚機構(gòu)和配重，中部的耳板通過銷軸和上回轉(zhuǎn)機構(gòu)相連，使主吊臂可繞底座立柱旋轉(zhuǎn)。
擦窗機工作過程中，主臂架受力簡圖如圖所示。載荷包括：折臂支撐自重G、主吊臂自重Gz和卷揚機構(gòu)自重G3，鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪的作用，除自重外，其余力的大小和作用方向均與小吊臂、折臂和折臂支撐的工作位置有關(guān)。為了確定主臂架最不利受力工況，在主吊臂和折臂支撐上分別選擇截面，采用力學(xué)分析方法，運用MATLAB語言編程，計算出兩截面最大應(yīng)力工況為：折臂處于水平位置，小吊臂與折臂共線，且二者隨折臂支撐旋轉(zhuǎn)至與主吊臂垂直，載荷情況如圖所示。根據(jù)圖計算出危險工況時主臂架各點受力。在有限元分析中，結(jié)構(gòu)自重G，G2可由軟件按體載荷加載，卷揚機構(gòu)自重G3按集中載荷加載，表1中僅列出各集中力沿坐標(biāo)軸方向的分量值。
單元選擇是有限元分析中的重要問題，直接關(guān)系到求解精度和效率，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特性和結(jié)構(gòu)特點。單元選擇原則是計算精度高、收斂速度快、計算量小；同時，單元類型應(yīng)對結(jié)構(gòu)的幾何形狀有良好的逼近，能真實反映結(jié)構(gòu)受力狀況。折臂支撐和主吊臂均為薄鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，鋼板的厚度遠(yuǎn)小于其長度和寬度，故該模型屬于典型的板殼單元結(jié)構(gòu)。本文采用殼單元SHELL181，該單元對于薄板乃至中厚板均有較高的分析精度。SHELL181單元共有4個結(jié)點，默認(rèn)狀態(tài)每個結(jié)點具有6個自由度，可用于線性、非線性分析Cz70網(wǎng)格劃分時采用精度水平為6，自由劃分。ANSYS根據(jù)主臂架結(jié)構(gòu)特點，自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)格密度。主臂架有限元模型見圖，整個模型包括39904個SHELL181單元，39667個結(jié)點，根據(jù)模型中實常數(shù)則要根據(jù)各板實際厚度定義，本文共定義實常數(shù)16個。
折臂支撐與上回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈通過24個高強螺栓連接，上回轉(zhuǎn)支承外圈與主吊臂通過24個高強螺栓相連。這里，忽略上回轉(zhuǎn)機構(gòu)內(nèi)外圈與滾動體之間的間隙，并假設(shè)折臂支撐和主吊臂與上回轉(zhuǎn)的連接板具有相同的變形。基于這一假設(shè)，建立主臂架有限元模型時可忽略上回轉(zhuǎn)機構(gòu)，直接將上下連接板對應(yīng)螺栓孔處節(jié)點自由度耦合在一起，從而簡化了計算模型，但對計算結(jié)果，特別是應(yīng)力的計算結(jié)果并無顯著影響。
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