張騫，胡婷，曾光，趙小偉，姚俊威

(鄭州科潤機(jī)電工程有限公司，鄭州 450015)

0 引言

動臂式塔式起重機(jī)的頂升結(jié)構(gòu)由頂升套架、頂升液壓油缸、滑塊(有的采用滾輪)和塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，其主要作用是通過增加塔身的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)的自升。塔式起重機(jī)的頂升方式主要分為中間頂升和外側(cè)頂升2種。在頂升狀態(tài)時，中間頂升由于不好調(diào)節(jié)塔頂產(chǎn)生的不平衡彎矩，因此，大多用于中小噸位的塔式起重機(jī)。外側(cè)頂升時，不平衡彎矩主要作用在油缸的中心線或者標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的中心線上，外側(cè)頂升不僅可以一次引入一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，而且容易調(diào)節(jié)塔頂?shù)牟黄胶鈴澗?，目前大噸位的塔式起重機(jī)主要采用這種頂升工藝。本文主要分析外側(cè)頂升的套架結(jié)構(gòu)。

由于頂升過程中承座與塔身的連接要放開，只有外側(cè)的頂升油缸支撐塔身上部的所有重量，套架上的受壓滑塊與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)緊密接觸，防止塔式起重機(jī)上部傾覆，任何不確定的因素都會對塔式起重機(jī)頂升造成重大的影響。通過對塔式起重機(jī)事故的統(tǒng)計(jì)分析，頂升過程中的事故占據(jù)相當(dāng)大的比例，因此，對頂升結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究有重要意義。

1 頂升套架的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)

1.1 頂升套架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

頂升套架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。頂升過程中，套架的上部與承座連接(主要有法蘭螺栓拼接和銷軸連接)，塔式起重機(jī)上部結(jié)構(gòu)的載荷通過承座傳給套架。相對于剛度很大的承座而言，套架自身的框架剛度不大，所以，合理布置套架結(jié)構(gòu)中的腹桿，對增大套架本身的剛度有重要影響。

圖1 頂升套架的結(jié)構(gòu)

頂升過程結(jié)束時，需要從套架的側(cè)面引入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，套架結(jié)構(gòu)在引入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)這個側(cè)面范圍內(nèi)不能布置腹桿，缺少腹桿支撐的套架結(jié)構(gòu)，其自身框架的抗扭剛度和強(qiáng)度都會有所下降。同時，對于重型塔式起重機(jī)而言，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)本身的重量很大，會對套架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個附加彎矩。

1.2 頂升套架的受力特點(diǎn)

頂升過程中，套架是主要的受力結(jié)構(gòu)。為了平衡上部結(jié)構(gòu)重量產(chǎn)生的不平衡彎矩，在頂升作業(yè)前要調(diào)整上部結(jié)構(gòu)的重心，使其作用在油缸的中心線上。由于調(diào)整重心的平衡只是相對的，要讓重心理想地作用在油缸的中心線上存在很多的不確定因素。例如風(fēng)載荷，當(dāng)風(fēng)向平行于起重臂時，風(fēng)載荷主要以水平方向的載荷作用在套架結(jié)構(gòu)上；當(dāng)風(fēng)向垂直于起重臂時，風(fēng)載荷會對塔身的中心產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)載荷，而且風(fēng)載荷的方向、大小是隨時變化的。當(dāng)在一定的高度進(jìn)行頂升作業(yè)時，還要考慮風(fēng)振對套架結(jié)構(gòu)的影響。這些不平衡載荷由套架結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的上下2組滑塊來承受。

固定在套架上的滑塊只能承受壓力，不能承受拉力，而且套架上部載荷的變化會使有些滑塊受力而壓在塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，從而使有些滑塊與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)脫離。滑塊受力的不確定性，導(dǎo)致套架結(jié)構(gòu)受力情況的不同。

圖2 頂升套架載荷受力簡圖

2 頂升套架的力學(xué)模型

頂升套架結(jié)構(gòu)承受的載荷可以簡化為豎向力FN、不平衡彎矩M和水平力FH。套架結(jié)構(gòu)的計(jì)算采用疊加法，其簡化受力情況如圖2所示。

2.1 豎向力FN作用下的套架結(jié)構(gòu)分析

豎向力FN主要由起重臂、平衡臂、平衡重、機(jī)臺、承座和待引入的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)重量引起。另外，在進(jìn)行頂升時，滑塊對套架結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生摩擦力，可近似按套架結(jié)構(gòu)上部自重的10%計(jì)算。由圖3可知，豎向力與油缸的推力匯交于套架下部某一點(diǎn)，由力系平衡原理可知，油缸的推力為

FT=0.5FN/cosφ。

(1)

圖3 垂直載荷作用下套架的受力簡圖

2.2 水平力FH作用下的套架結(jié)構(gòu)分析

水平力FH主要是風(fēng)載荷引起的，在這種工況下，取風(fēng)向垂直于臂架方向。風(fēng)載荷的計(jì)算參考GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》。在風(fēng)載荷的作用下，對套架的中心產(chǎn)生一個扭矩Tn。套架結(jié)構(gòu)作為一個空間桁架結(jié)構(gòu)，在水平力FH和扭矩Tn的作用下，把套架的空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面桁架結(jié)構(gòu)，即把水平力FH和扭矩Tn分解到套架的4個平面桁架結(jié)構(gòu)中，然后將屬于不同平面桁架的桿件內(nèi)力疊加。水平力和扭矩的分解如圖4所示。

2.3 彎矩M作用下的套架結(jié)構(gòu)分析

彎矩M主要由豎向力FN引起，頂升狀態(tài)工作時，套架上部結(jié)構(gòu)自重載荷的重心作用在油缸中心線的平面內(nèi)，豎向力相對套架結(jié)構(gòu)中心的偏心距離為e，當(dāng)引入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)時，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的自重載荷(Fz)相對套架結(jié)構(gòu)中心的距離為l，不平衡彎矩為這2部分載荷引起的彎矩的疊加，則

M=FNe+Fzl。

(2)

3 頂升套架的結(jié)構(gòu)分析

3.1 套架結(jié)構(gòu)分析時的問題和工況

頂升作業(yè)時，套架上的滑塊起導(dǎo)向和平衡不平衡彎矩的作用，只有當(dāng)滑塊和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)相接觸時才能受力，因此，滑塊只能承受壓力而不能承受拉力。在運(yùn)用ANSYS軟件分析時，采用LINK10單元定義滑塊的受力單元，即將滑塊單元定義成只受壓力的單元。在計(jì)算后分析結(jié)果，凡是受壓的滑塊單元給予保留，受拉的單元予以刪除，再進(jìn)行計(jì)算并分析結(jié)果。由于受拉滑塊單元的刪除，會使原先一些受壓的單元轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾膯卧?，再刪除受拉的滑塊單元進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算后，結(jié)果趨于穩(wěn)定。

圖4 水平力和扭矩的分解示意圖

豎向力和引進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)時引起的不平衡彎矩靠套架與塔身之間的滑塊支承，套架和塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的結(jié)構(gòu)剛度會對滑塊的受力造成影響，在分析套架結(jié)構(gòu)時，塔身與滑塊相接觸部位的支承剛度沒有確定，可以采用套架與塔身結(jié)構(gòu)形成共同的有限元模型加以求解(即建立有限元模型時，用LINK10單元劃分的滑塊單元應(yīng)與塔身單元相接觸，若兩者之間有間隙，有限元計(jì)算的結(jié)果將不真實(shí))。在實(shí)際頂升開始之前，滑塊與塔身之間有一定的間隙，這個間隙可以人為調(diào)整，應(yīng)盡量使滑塊靠近塔身。

在上述載荷的作用下，根據(jù)頂升作業(yè)的過程，在分析套架結(jié)構(gòu)時要考慮3個工況。工況1：油缸下部與塔身連接，油缸開始頂升，油缸的行程最短，套架結(jié)構(gòu)與油缸鉛垂線的夾角最大。工況2：油缸的行程達(dá)到最大，套架頂升到最高位置，套架結(jié)構(gòu)與油缸鉛垂線的夾角最小。工況3：油缸頂升套架到最高位置后，套架通過油缸上部的爬爪與塔身的踏步板相連接，液壓桿開始收縮，準(zhǔn)備下一次頂升。本文以工況2為例對套架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.2 套架結(jié)構(gòu)的有限元分析

某火電建設(shè)用塔式起重機(jī)，為動臂式臂架、外套架頂升的塔式起重機(jī)。采用雙油缸頂升，油缸布置在套架的左右兩側(cè)，在套架上布置上下2層滑塊，由于塔身的主弦采用H型鋼，因此在與塔身連接的地方布置3個滑塊。套架結(jié)構(gòu)的材料為Q345B。

在頂升開始前，調(diào)整上部結(jié)構(gòu)的重心，使其重心作用在兩側(cè)油缸中心線形成的鉛垂面內(nèi)，此時塔式起重機(jī)上部的不平衡彎矩最小。在工況2下，套架頂部載荷為：豎向力4 400 kN，不平衡彎矩12 000 kN·m，水平力50 kN(包括風(fēng)載荷)。套架結(jié)構(gòu)各桿件采用beam188單元劃分，有限元模型如圖5所示。

圖5 套架有限元模型

3.3 分析結(jié)果評價

經(jīng)過有限元計(jì)算，按照第四強(qiáng)度理論合成的應(yīng)力如圖6所示。由圖6可以看出，最大應(yīng)力在油缸上部的桿件與油缸的交接處，當(dāng)油缸頂升時，油缸的大部分頂升推力通過此處的桿件傳遞給套架的弦桿，因此桿件的軸向力較大。由于節(jié)點(diǎn)有偏心，因此附加彎矩也大。最大桿件的復(fù)合應(yīng)力滿足材料Q345B的許用應(yīng)力(按載荷組合B，材料的許用應(yīng)力為257 MPa)，但此桿件為一受壓構(gòu)件，桿件的穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)力為261 MPa，超過材料的許用應(yīng)力。若增大桿件的規(guī)格，受此處的空間限制，焊縫的質(zhì)量等級要求較高。考慮到此處結(jié)構(gòu)的重要性，把油缸上部的位置用鋼板封了起來，用箱型結(jié)構(gòu)代替了桿件結(jié)構(gòu)，極大地改善了此處結(jié)構(gòu)的受力。

圖6 項(xiàng)升套架的合成應(yīng)力圖

4 結(jié)束語

本文分析了自升動臂式塔機(jī)套架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和受力情況，選取套架結(jié)構(gòu)受力的最大工況，結(jié)合有限元軟件ANSYS對某火電廠的塔機(jī)套架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，在套架頂升作業(yè)時，頂升油缸和套架連接處受力較大，設(shè)計(jì)套架結(jié)構(gòu)時應(yīng)對此進(jìn)行局部加強(qiáng)處理。塔機(jī)套架結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，人工計(jì)算難度較大且容易出錯，借助有限元軟件可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算套架結(jié)構(gòu)的受力，為以后此類型塔機(jī)的套架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種很好的設(shè)計(jì)方法。

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