張 歡

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長(zhǎng)，城市越來(lái)越多的高層建筑迅速涌現(xiàn)，塔式起重機(jī)已成為不可缺少的建筑機(jī)械?，F(xiàn)代工業(yè)建設(shè)的快速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，對(duì)塔機(jī)的起重力矩、工作速度，起升高度提出了更高的要求，同時(shí)也要求盡可能輕的塔式起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以降低制造成本。

在塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)分析和驗(yàn)算已成為不可忽視的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。如果采用傳統(tǒng)的手工計(jì)算方法進(jìn)行這一過(guò)程，不但工作量大，而且錯(cuò)誤率高，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及有限元理論的日益完善為解決該問題提供了良好的解決辦法。

2 QTZ63C塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

QTZ63C塔式起重機(jī)是滿足GB/T5031《塔式起重機(jī)》和GB5144，《塔式起重機(jī)安全規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的加強(qiáng)型塔式起重機(jī)，額定起重力矩63t·m，最大起重量為6t，有TC5211等類型。該機(jī)起升機(jī)構(gòu)變極調(diào)速，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為變頻調(diào)速機(jī)構(gòu)，變幅機(jī)構(gòu)行星齒減速機(jī)內(nèi)置卷筒，電控系統(tǒng)采用進(jìn)口元件，安全保護(hù)裝置為機(jī)械式或機(jī)電一體化產(chǎn)品，齊全可靠，該機(jī)具有固定、行走、附著、內(nèi)爬等工作型式，可滿足城市中高層建筑、工業(yè)廠房、電站水壩、橋梁等各種建筑施工的需要。

2.1 QTZ63C塔式起重機(jī)參數(shù)

（1）整機(jī)外形圖如圖1所示。

（2）起重特性。圖2、圖3所示。

圖1 整機(jī)外形

圖2 兩倍率起重特性

圖3 四倍率起重特性

（3）技術(shù)性能如表1所示。

表1 技術(shù)性能

（4）機(jī)構(gòu)利用等級(jí)如表2所示。

表2 機(jī)構(gòu)利用等級(jí)

2.2 QTZ63C塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 載荷及其組合

（1）計(jì)算載荷：①自重載荷：Fq為考慮起升沖擊系數(shù)φ1=0.9~1.1；②起升載荷：FQ為考慮起升載荷的動(dòng)載系數(shù)φ2＝1.3；③卸載沖擊載荷：F=1-1.5×；④運(yùn)行沖擊載荷：當(dāng)υ<1m/sφ4=1.1;當(dāng)υ>1m/sφ4=1.2；⑤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加減速載荷：；⑥離心力：Ff=m×覣2×R；⑦風(fēng)載荷：Fw；根據(jù)F.E.M標(biāo)準(zhǔn)2.2.4.1風(fēng)壓：q=0.613VS2，式中：q為風(fēng)的動(dòng)壓（N/m2）；VS為設(shè)計(jì)風(fēng)速（m/s）

F.E.M標(biāo)準(zhǔn):

表3 工作狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)壓

表4 非工作狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)壓

F.E.M標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)載荷計(jì)算。風(fēng)載荷：F=A·q·Cf，式中：F為所討論結(jié)構(gòu)部分的有效迎風(fēng)面積（m2）；q為與相應(yīng)設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓(N/m2）；Cf為所討論結(jié)構(gòu)部分沿著風(fēng)向的風(fēng)力系數(shù)。

風(fēng)力系數(shù)按F.E.M標(biāo)準(zhǔn)：2.2.4.1.4選取。

⑧坡度載荷：計(jì)算起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定時(shí)取α=1°鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算不考慮。

⑨試驗(yàn)載荷：動(dòng)態(tài)試驗(yàn)載荷Fdt值取額定載荷的110%與動(dòng)載系數(shù)φ6=（1+φ2）×0.5，靜態(tài)試驗(yàn)載荷Fst值取額定載荷的125%，試驗(yàn)載荷應(yīng)作用在起重機(jī)最不利位置上。

⑩碰撞載荷Fc；輥輯訛突然停機(jī)引起的載荷；輥輰訛安裝載荷。

（2）載荷分類：①基本載荷?；据d荷是始終和經(jīng)常作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷。它們是自重載荷Fq，起升載荷FQ，以及由于 機(jī)構(gòu)的起（制）動(dòng)等引起的水平載荷Fh。②附加載荷。附加載荷是起重機(jī)在正常工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)所受到的非經(jīng)常性作用的載荷，它們是最大工作狀態(tài)的風(fēng)載荷Pw等。③特殊載荷。特殊載荷是起重機(jī)處于非工作狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)所受到的最大載荷，或在工作狀態(tài)正點(diǎn)偶然受到的不利載荷。例如：非工作狀態(tài)的風(fēng)載荷或碰撞載荷等。除以上考慮的載荷，起重機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體情況，考慮其他一些載荷。

（3）載荷組合：上述三種載荷按GB/T13752-92P17表18進(jìn)行組合：組合A：只考慮基本載荷，該組合除選擇電動(dòng)機(jī)外，一般不考慮風(fēng)載荷影響。組合B：考慮基本載荷和附加載荷，該類組合是指起重機(jī)在使用權(quán)期內(nèi)工作可能出現(xiàn)的最大載荷。組合C：考慮基本載荷和特殊載荷，或三種載荷都有考慮，該組合是指起重機(jī)處于非工作狀態(tài)可能出現(xiàn)的最大載荷。以上三類載荷組合中，每一類組合又分若干組合方式，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)具體工況，計(jì)算目的選取對(duì)所計(jì)算的結(jié)構(gòu)最不利的組合方式。原則上，對(duì)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，穩(wěn)定性計(jì)算和抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算必須同時(shí)滿足載荷組合A、B、C情況下的規(guī)定值。疲勞、磨損、發(fā)熱只按載荷組合A計(jì)算。

2.2.2 材料及許用應(yīng)力

（1）結(jié)構(gòu)材料及許用應(yīng)力。如表5所示。

（2）連接件材料及許用應(yīng)力。如表6所示。

表6 焊縫的許用應(yīng)力

表5 結(jié)構(gòu)材料Q235B、Q345B、20、45、40Cr基本許用應(yīng)力

表2.11 螺栓連接的許用應(yīng)力

（3）對(duì)于其它局部應(yīng)力，復(fù)合應(yīng)力都按GB3811-83規(guī)定。

（4）焊接結(jié)構(gòu)計(jì)算條件。在計(jì)算上假設(shè)各平面桿件形心相互匯交于節(jié)點(diǎn)中心，并認(rèn)為理想鉸接，忽略了由于理論狀況下不能滿足而產(chǎn)生的況應(yīng)力。

3 QTZ63C塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 QTZ63C塔機(jī)有限元模型建立

本機(jī)主要受力桿件全部采用Q345B材料制作。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立塔機(jī)的有限元模型。其上平臺(tái)采用SHELL93,拉桿采用LINK8，其他結(jié)構(gòu)采用BEAM188建模，如圖4所示。

圖4 QTZ63C塔機(jī)有限元模型

（1）定義材料特性。取彈性模量為2.05e5MPa，泊松比為0.26，材料密度為7.85e-9t/mm3。

（2）施加約束及固定靜載荷。①施加約束。約束基礎(chǔ)節(jié)下部基點(diǎn)點(diǎn)1、2、3、4的全部自由度。②施加平衡重載荷。在點(diǎn)210，211，214，215，218，219分別施加Y負(fù)方向的力13333N。③施加固定靜載荷。在點(diǎn)198,199,202,203分別施加Y負(fù)方向2500N的起升機(jī)構(gòu)自重載荷，在點(diǎn)266,267,268,269分別施加Y負(fù)方向1000N的變幅機(jī)構(gòu)自重載荷。④施加重力載荷。給有限元模型施加重力載荷，取ACELY為9810。

3.2 工況分析

本計(jì)算中主要是依據(jù)工作工況考核改進(jìn)后的平衡臂和吊臂的強(qiáng)度和非工作工況下塔身根部節(jié)的強(qiáng)度，以此來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)后產(chǎn)品的可靠性。

（1）在工作狀況下，通過(guò)在臂端施加吊具和額定吊重（0.35t+0.8t＝1.15t）的1.3倍（1.5t）的荷載，檢驗(yàn)最危險(xiǎn)截面的應(yīng)力狀況。

（2）在非工作狀況下，通過(guò)對(duì)塔機(jī)有限元模型施加非工作狀態(tài)下的風(fēng)壓，檢驗(yàn)塔身根部的應(yīng)力狀況，計(jì)算時(shí)風(fēng)壓?。篜=1100Pa。

3.3 工作工況

（1）加載后的有限元模型。如圖5所示。

圖5 工作工況加載后的模型

（2）查看位移云圖。如圖6所示。

圖6 工作工況下位移云圖

從位移云圖可以看出，工作工況條件下，位移量最大位置產(chǎn)生在吊臂端頭，最大位移量為1261mm，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，起重臂端部加載時(shí)的許用撓度為:=1.75m，實(shí)際撓度1.261<1.75，符合要求。

（3）查看應(yīng)力云圖。如圖7所示。

圖7 工作工況下應(yīng)力云圖

最大應(yīng)力位置產(chǎn)生在吊臂前吊點(diǎn)位置，吊點(diǎn)處放大圖如圖8所示。

圖3.5 吊臂前吊點(diǎn)應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖可以看出，工作工況條件下，上弦桿的應(yīng)力在125Mpa左右，按組合A工況Q345B最小許用205Mpa，符合要求。最大應(yīng)力產(chǎn)生在吊臂前吊點(diǎn)處為593.975Mpa，這是由于在建立模型時(shí)此處為節(jié)點(diǎn)處,實(shí)際此處為焊縫線接觸，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象。

（4）平衡臂根部出處的應(yīng)力分析。

圖9 平衡臂根部應(yīng)力云圖

從圖9可以看出，工作工況條件下，平衡臂根部的應(yīng)力在125Mpa左右，按組合A工況Q345B最小許用205Mp，符合要求。

3.4 非工作工況

（1）加載后的有限元模型。如圖10所示。

圖10 非工作工況加載后的模型

（2）查看位移云圖。如圖11所示。

圖11 非工作工況下位移云圖

從位移云圖可以看出，非工作工況條件下，位移量最大位置產(chǎn)生在吊臂端頭，最大位移量為265.35mm，小于起重臂端部加載時(shí)的許用撓度1.75m，符合要求。

（3）看應(yīng)力云圖。如圖12所示。

圖12 非工作工況下應(yīng)力云圖

同工作工況時(shí)一樣，由于在建立模型時(shí)，平衡臂根部處為節(jié)點(diǎn)，最大應(yīng)力為345.774MPa，實(shí)際此處為焊縫線接觸，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象，重點(diǎn)考察塔身根部節(jié)處的應(yīng)力。

圖13 塔身根部應(yīng)力云圖

從圖13可以看出，非工作工況條件下，塔身根部的應(yīng)力在153MPa左右，按組合C工況Q345B許用225MPa，符合要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)中使用ANSYS軟件對(duì)QTZ63C塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析可發(fā)現(xiàn)：

（1）在工作及非工作工況下，塔機(jī)結(jié)構(gòu)中位移量最大位置均產(chǎn)生在吊臂端頭，且其位移大小均小于許用撓度，符合設(shè)計(jì)求。

（2）在工作工況下，塔機(jī)結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力點(diǎn)在吊臂前吊點(diǎn)處；非工作工況下塔機(jī)結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力點(diǎn)在平衡臂根部處，但由于在建立模型時(shí)這兩處均為節(jié)點(diǎn)處,實(shí)際此處為焊縫線接觸，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象。除此之外，工作工況條件下，上弦桿的應(yīng)力最大；非工作工況條件下，塔身根部的應(yīng)力最大，均小于Q345B許用應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)要求。

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