塔式起重機(jī)的靜力學(xué)分析

1、塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析摘要：強(qiáng)度和振動(dòng)特性是設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。文章從有限元的基礎(chǔ)理論出發(fā),利用ANSYS軟件,對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析,獲得了其應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,比較了三種典型的工況,指出了極限吊重情況下靜態(tài)極限強(qiáng)度的位置,并分析了塔式起重機(jī)的振動(dòng)頻率和振型,為研究塔式起重機(jī)的其他動(dòng)力響應(yīng)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī) 靜力學(xué)分析 有限元 ANSYS引言：塔式起重機(jī)（tower crane）簡(jiǎn)稱塔機(jī)，亦稱塔吊，起源于西歐。動(dòng)臂裝在高聳塔身上部的旋轉(zhuǎn)起重機(jī)。作業(yè)空間大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構(gòu)件的安裝。由金屬結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)三部分組成。當(dāng)起重

2、臂架繞塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)部 分 作360°回轉(zhuǎn)、吊重載荷沿起重臂架運(yùn)行并升降時(shí)以及由于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)抖動(dòng)等原因，都會(huì)使塔式起重機(jī)引起振動(dòng)。在此情況下，吊重荷載等動(dòng)荷載對(duì)塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)所引起的內(nèi)力和變形，要比同樣大小的靜荷載所引起的大，有時(shí)甚至大得多。由于塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件承受的動(dòng)荷載一般都很大，而且加載次數(shù)較為頻繁，更容易產(chǎn)生疲勞破壞。作為大型設(shè)備,塔機(jī)的工作特點(diǎn)是根據(jù)建筑需要將物品在很大空間內(nèi)升降和搬運(yùn),屬于危險(xiǎn)作業(yè)。目前,在建筑施工中,由塔機(jī)引起的人員傷亡和設(shè)備事故屢禁不止,重大事故發(fā)生率居高不下。塔機(jī)的強(qiáng)度和振動(dòng)頻率是影響塔機(jī)壽命和穩(wěn)定性的重要 因素，因此對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行靜力

3、學(xué)和振動(dòng)的研究是十分要 必要的。本文利用有限元分析軟件 對(duì) 塔式起重機(jī)630進(jìn)行建模，分析了三種加載在塔式起重機(jī) 上的典型的工況，得出了塔式起重機(jī)在三種工況下的靜力學(xué) 應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，找出塔式起重機(jī)各個(gè)工況下的危險(xiǎn)位置，為 其塔機(jī)的改進(jìn)提供參考。提取出塔機(jī)的前 階振動(dòng)模態(tài)，為其 他動(dòng)力學(xué)響應(yīng)提供研究依據(jù)。1. 塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)1.1 塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)塔式起重機(jī)主要由機(jī)械部分、金屬結(jié)構(gòu)和電氣三大部分組成。機(jī)械部分主要是指起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、架設(shè)機(jī)構(gòu) 等等，這些機(jī)構(gòu)根據(jù)工作需要或有或無，但起升機(jī)構(gòu)是必不可少的。金屬結(jié)構(gòu)是構(gòu)成起重機(jī)械的軀體，是安裝各機(jī)構(gòu)和支托

4、它們?nèi)恐亓康闹黧w部分。金屬結(jié)構(gòu)主要由門架、塔身、其中避、塔頂與塔頂撐架、平衡臂、轉(zhuǎn)臺(tái)等組成，其中門架是起重機(jī)的基礎(chǔ)，所有物機(jī)和壓重均裝于其上。門架由兩個(gè)側(cè)架和一個(gè)長(zhǎng)方形平臺(tái)組成。塔身結(jié)構(gòu)也成為塔架，是塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的主題，主要指自底架以上的垂直塔桅部分，它支撐著塔式起重機(jī)上部結(jié)構(gòu)的全部重量，并將其轉(zhuǎn)至底架和臺(tái)車，進(jìn)而分布給軌道基礎(chǔ)。電氣是起重機(jī)械動(dòng)作的能源，各機(jī)構(gòu)都是單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。在結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析中，主要分析塔身、塔臂和塔頂?shù)臈U件受力。1.2 性能參數(shù)起重能力：Rmax =50 m ，Q =1.2 t R=215.44 m ，Q=5 t 起升速度： 100/80/50/40/5 m/min 回

5、轉(zhuǎn)速度： 0.6/0.4 r/min 變幅速度： 45/16 m/min2. 創(chuàng)建塔式起重機(jī)的有限元模型塔機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)主要包括塔頂、起重臂架、平衡 臂、變幅小車、吊鉤以及上下轉(zhuǎn)臺(tái)等組成根據(jù)塔機(jī) 設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，建立塔機(jī)結(jié)構(gòu)幾何模型過程中，忽 略結(jié)構(gòu)阻尼，不考慮非線性關(guān)系和過渡圓角為了有限元建模更加合理，應(yīng)考慮：模型能全面準(zhǔn)確地反映 塔機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；模型受力應(yīng)與塔機(jī)在工作時(shí)外載荷 作用下相同；模型的邊界條件處理應(yīng)與塔機(jī)實(shí)際工 作時(shí)保持一致塔機(jī)有限元建模時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn) 行必要簡(jiǎn)化（1） 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化在中，塔機(jī)計(jì)算主 要使用梁?jiǎn)卧?、桿單元和板殼單元來構(gòu)建有限元模 型對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析時(shí)，可以將

6、回轉(zhuǎn)支承結(jié) 構(gòu)等實(shí)體部件采用梁桿單元進(jìn)行等效，使塔機(jī)的整 體分析中只包含梁?jiǎn)卧?，避免了具有不同結(jié)點(diǎn)自由 度的梁?jiǎn)卧桶鍤卧穆?lián)接問題完成整體分析 之后，將整體分析中得到的等效單元的結(jié)點(diǎn)力作為 外載荷，采用板殼單元單獨(dú)分析其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) （）塔身、起重臂簡(jiǎn)化塔身底部結(jié)構(gòu)剛度很 大，簡(jiǎn)化為固接支座起重臂根部簡(jiǎn)化為固定鉸支 座起重臂與二根拉桿的連接及拉桿與塔頂?shù)倪B接， 均按固定鉸支座處理平衡臂的臂根和塔機(jī)回轉(zhuǎn)節(jié) 的連接、平衡臂和二根拉桿的連接及拉桿與塔頂?shù)?連接均為固定鉸支座塔頂與上回轉(zhuǎn)支座的連接及 下回轉(zhuǎn)支座與塔身的連接作為固接支座處理塔機(jī)中固定鉸支座需要用鉸鏈模擬，筆者采用耦合來模 擬鉸鏈對(duì)于固接

7、支座采用命令，約束其全部自由 度（，Y，） 使用自由度耦合分析塔機(jī)更方便塔機(jī)中需要 放松彎矩的地方多為各部件的鉸接處，在生成單元時(shí)，不必考慮各部件之間結(jié)點(diǎn)的銜接問題， 各部件可單獨(dú)建模，然后用耦合命令將部件聯(lián) 接處各相應(yīng)結(jié)點(diǎn)自由度耦合起來即可，如圖對(duì)節(jié)點(diǎn)施加的約束，全部在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中進(jìn)行 的劃分節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過調(diào)整單元尺寸，使塔機(jī)試驗(yàn)報(bào) 告中各檢測(cè)點(diǎn)正好在劃定的各節(jié)點(diǎn)上，如不能調(diào)整 到正好重合，則取最近四點(diǎn)值的平均值作為該測(cè)點(diǎn) 的值有此得到該塔機(jī)有限元模型模型共約個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)，如圖3. 塔式起重機(jī)的靜力學(xué)分析首先計(jì)算在載荷 處的應(yīng)力應(yīng)變，重物等效為對(duì)稱施加在和兩節(jié)點(diǎn)上的垂直集中載荷。對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)

8、行求解計(jì)算，計(jì)算出塔式起重機(jī)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元的 位移與應(yīng)力。通過 的后處理，能夠直觀地顯示出塔式 起重機(jī)的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。由圖中可以觀察出，塔式起重機(jī)的最大應(yīng)變處發(fā)生在臂尖處。起重機(jī)的最大應(yīng)力處為起重臂架和塔身的銜接處，最大 的應(yīng)力。起重臂從拉桿與起重臂的相接觸的地方 至塔尖明顯有比較大的變化。機(jī)構(gòu)有向重物傾覆的趨勢(shì)，符合 實(shí)際情況。 文章主要對(duì)比分析每種工況在不同位姿時(shí)所受的應(yīng)力以 及位移的大小，具體數(shù)值如表 所示由表可得，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值隨著起重臂工作半 徑的減少而下降?？梢灾雷钗ｋU(xiǎn)工況就是在臂尖處施加載 荷為 處的工況，此處的應(yīng)力和應(yīng)變均為最大，應(yīng)盡量避免起吊物長(zhǎng)時(shí)間停留于這個(gè)

9、位置。通過比較可得三種情況下應(yīng)力最大值為 ,塔式起重機(jī)的最大應(yīng)力值小 于 的最大應(yīng)力 值，滿足起重機(jī)的規(guī)范設(shè)計(jì)要求，但是需要注意的是最 危險(xiǎn)工況很接近塔式起重機(jī)的許用最大應(yīng)力值，在塔式起重 機(jī)工作時(shí)要引起注意。 由一系列變形圖可知塔式起重機(jī)發(fā)生的最大應(yīng)變?cè)谧?大在臂尖處，與實(shí)際情況是相互吻合的。最大位移處始終在臂 尖處，且鋼絲繩與上弦桿連接處為最大的變化率處，因而此處 不僅需要很高的強(qiáng)度，也需要更好的韌性。表2 頻率及振型描述4. 塔式起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析在進(jìn)行塔式起重機(jī)的振動(dòng)模態(tài)分析時(shí)，實(shí)際只需要考慮塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)體系的自重 只需定義在重力(作用方向的重力加速度 和零位移約束，而不涉及其它的荷

10、載作用)由振動(dòng)理論可知，對(duì)于一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)低階固有頻率對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較大，而高階固有頻率則影響較小。所以對(duì)多自由度系統(tǒng)只需其低階固有頻率就能反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。故本文只提取起重臂的前階模態(tài)，實(shí)際分析設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)需要獲取模態(tài)階次。5模態(tài)分析只需要指定分析類型是模態(tài)分析，然后定義需要的模態(tài)階數(shù)和矩陣特征值求解方法，就可 以開始模態(tài)分析求解了。5. 結(jié)論通過以上分析，可得到如下結(jié)論：630塔式起重機(jī)在運(yùn)行過程中： （1）最危險(xiǎn)的工況一般比較靠近臂尖； （2）塔機(jī)工作時(shí)上弦桿會(huì)受到比較大的應(yīng)力； （3）最大位移處始終在臂尖處，且鋼絲繩與上弦桿連接處為最大的變化率處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加以

11、注意；（4）塔式起重機(jī)在掛上重物的瞬間，起重臂中部、斜拉索的連接點(diǎn) 處，應(yīng)力最大，設(shè)計(jì)制造的過程中應(yīng)采取局部加強(qiáng)措施。（5）總體來看，基于桁架模型的塔機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)為一低頻振動(dòng)系統(tǒng)，快速起升和突然卸載時(shí)的沖擊容易引起結(jié)構(gòu)共振。（6）根據(jù)各階振型圖可知，塔式起重機(jī)的各階共振頻率均 較低且相差不大，在使用過程中要注意避免吊繩的擺動(dòng)和載 荷的施加與釋放等低頻源激擾.參考文獻(xiàn)： 1李海虹 陳永會(huì) 李志譚 利用有限元法進(jìn)行塔機(jī)起重臂的動(dòng)態(tài)分析 J太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)2003,24(2):106-109. 2張俊 軟件在塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析中的應(yīng)用J 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2001,17(2):20-22. 3吳啟鶴 起