謝文尚，向蘭珍，楊華平XIE Wen-shang, XIANG Lan-zhen, YANG Hua-ping(三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410600）

尖頭式塔式起重機(jī)起重臂上翹高度的研究

謝文尚，向蘭珍，楊華平
XIE Wen-shang, XIANG Lan-zhen, YANG Hua-ping
(三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410600）

[摘 要]尖頭式塔式起重機(jī)空載時起重臂預(yù)置的上翹高度對變幅小車的工作性能和塔機(jī)的安全性能非常重要。通過QTZ80(T6011-6)塔機(jī)的實(shí)例給出了確定尖頭式塔式起重機(jī)起重臂預(yù)置上翹高度的一種簡單有效方法，對新產(chǎn)品的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]尖頭式塔式起重機(jī)；起重臂；上翹高度

1 前 言

尖頭式塔式起重機(jī)在空載和在最大幅度額定載荷吊載時，起重臂的水平狀態(tài)有所不同，前者由于塔身后傾彎矩的影響引起起重臂向上的轉(zhuǎn)動，后者在塔身的前傾彎矩的作用下起重臂會有下沉的轉(zhuǎn)動。尖頭式塔式起重機(jī)起重臂及拉桿設(shè)計過程中，除主要性能滿足要求外，還需考慮預(yù)置一定的上翹高度以保證小車的工作性能和安全性能，這一點(diǎn)對塔式起重機(jī)的安全使用非常重要。

起重臂預(yù)置一定的上翹高度與下列因素有關(guān)：①行走軌道基礎(chǔ)不均或固定基礎(chǔ)的不均勻沉降引起的撓度；②相關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)件在載荷與自重作用下位移引起的起重臂撓度；③起重臂本身在載荷與自重作用下產(chǎn)生的撓度；④起重臂拉桿本身在載荷與自重作用下伸長而引起的撓度。

設(shè)計起重臂的預(yù)置上翹高度應(yīng)遵循一個原則：在最大幅度處起升額定載荷時，從安全的角度考慮，變幅小車不應(yīng)受到向外側(cè)的下滑力，從變幅小車運(yùn)行平穩(wěn)性來考慮，小車在最大幅度不應(yīng)受到向內(nèi)、外側(cè)的下滑力。即在最大幅度處起升額定載荷時，起重臂下弦桿應(yīng)處于水平或略微上翹的狀態(tài)，使塔式起重機(jī)工作時變幅小車行走更方便，更安全。

起重臂預(yù)置上翹高度h可以根據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式計算得到

單吊點(diǎn) h=L/(75～82)

雙吊點(diǎn) h=L/(80～85)

式中 L—塔機(jī)的最大工作幅度。

但隨著塔機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、高強(qiáng)鋼在塔機(jī)上的應(yīng)用，起重臂的撓度越來越大，起重臂臂長也越來越長，該經(jīng)驗(yàn)公式已不再適用于現(xiàn)代塔機(jī)的設(shè)計。若按該經(jīng)驗(yàn)公式計算，則預(yù)置的上翹高度會不夠，必然導(dǎo)致小車在最大幅度額定吊載時就有向外的下滑力，存在安全隱患。本文給出了確定尖頭式塔式起重機(jī)起重臂預(yù)置上翹高度一種簡單有效的方法。

2 塔機(jī)有限元模型的建立和計算結(jié)果

2.1 塔機(jī)整機(jī)有限元模型的建立和計算結(jié)果

塔機(jī)各部件結(jié)構(gòu)大部分為桁架結(jié)構(gòu)，選用桿單元和梁單元，回轉(zhuǎn)總成采用剛性單元，建立塔機(jī)整機(jī)有限元模型，如圖1所示。塔身底部4個節(jié)點(diǎn)全約束，在起重臂最大幅度處（C點(diǎn)）加載1.1t的向下的力。

圖1 塔機(jī)有限元模型

對塔機(jī)有限元模型進(jìn)行計算，得到起重臂在最大幅度額定吊載時各點(diǎn)的豎直位移，相對于O點(diǎn)，B點(diǎn)的豎直位移為1 090mm，C點(diǎn)的豎直位移為1 689mm。獨(dú)立建立BC段起重臂有限元模型，遠(yuǎn)吊點(diǎn)處的3個節(jié)點(diǎn)全約束，在臂尖加載1.1t向下的力，經(jīng)計算得到BC段起重臂在最大幅度額定吊載時自身豎直方向位移為92mm。2.2 上、下支座有限元模型的建立和計算結(jié)果

上、下支座均為一個板材焊接成一體的板殼結(jié)構(gòu)，不適合使用經(jīng)典ANSYS中的桁架結(jié)構(gòu)建模，因此，選用Workbench軟件對其進(jìn)行實(shí)體建模分析，建模時將上、下支座上不受力的構(gòu)件予以刪除，然后采用六面體對上、下支座進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于上支座，與回轉(zhuǎn)支撐連接處的螺栓孔全約束，作用于上支座的彎矩和扭矩以集中力的形式作用于與銷軸孔表面的節(jié)點(diǎn)上，上支座以上部分自重以均勻載荷形式加載在銷軸孔表面的節(jié)點(diǎn)上；對于下支座，與塔身連接處的節(jié)點(diǎn)全約束，作用于下支座的彎矩和扭矩以集中力的形式作用于與回轉(zhuǎn)支撐連接的螺栓孔圓周節(jié)點(diǎn)上，下支座以上部分自重以均布載荷加載在下支座法蘭環(huán)表面。對塔式起重機(jī)的上、下支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計算分析，得到其鉸接點(diǎn)相對回轉(zhuǎn)支撐豎直方向的變形量，取平均值，上支座為1.21mm，下支座為0.87mm。

把回轉(zhuǎn)支撐看作剛性連接，由于上、下支座與起重臂間的夾角不變，依比例關(guān)系得到起重臂臂尖處由于上、下支座的變形而產(chǎn)生的豎直方向的位移

Δy=ΔhRmaxR

式中 Δh—上、下支座接點(diǎn)豎直方向的變形量；

Rmax—起重臂臂尖到回轉(zhuǎn)中心的距離；

R—上、下支座鉸點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離。

對于QTZ80(T6011-6)塔機(jī)，R上支座為564.5mm，R下支座為668.5mm，最大幅度到回轉(zhuǎn)中心距離為60 000mm，遠(yuǎn)吊點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心距離為45 057mm，臂根鉸點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心距離為745mm。由上面的公式計算得到，起重臂臂尖由于上支座變形而產(chǎn)生的豎直方向的位移為129mm，起重臂臂尖由于下支座變形而產(chǎn)生的豎直方向的位移為78mm；起重臂遠(yuǎn)吊點(diǎn)處由于上支座變形而產(chǎn)生的豎直方向的位移為97mm，由于下支座變形而產(chǎn)生的豎直方向的位移為59mm。

將上述結(jié)果相加即得到QTZ80(T6011-6)塔機(jī)整機(jī)起重臂B點(diǎn)總的豎直位移為1 246mm，C點(diǎn)總的豎直位移為1 896mm。

3 空載狀態(tài)起重臂上翹高度的確定

設(shè)計起重臂拉桿時，先將起重臂遠(yuǎn)吊點(diǎn)（B點(diǎn)）預(yù)置上翹高度為1 246mm（起重臂約上翹1.61°），再結(jié)合塔帽計算出起重臂拉桿的理論長度。BC段則通過減短上弦桿預(yù)置一個上翹高度，以補(bǔ)償BC段由于自重和額定載荷引起的BC段起重臂自身的下沉變形。若直接將起重臂C點(diǎn)預(yù)置上翹高度1 896mm（起重臂約上翹1.83°）設(shè)計起重臂拉桿，則在其它工況，會造成變幅小車的爬坡加大，不利于變幅小車的行走。

BC段起重臂可以通過縮短每一節(jié)臂上弦桿長度使臂架上翹y，如圖2所示。由于Δx<

圖2 臂架變形補(bǔ)償示意圖

a<

Δx=yab

式中 Δx—上弦桿的縮短值；

a—臂架的高度；

b—臂架的長度。

QTZ80(T6011-6)塔機(jī)通過縮短了5m臂架上弦桿4mm和10m臂架上弦桿4mm使BC段起重臂本身預(yù)置上翹高度達(dá)到92mm，起重臂逐漸地上翹，空載時達(dá)到較好的預(yù)置上翹效果。

為了空載時減小起重臂的變形，在計算出起重臂拉桿的理論長度后，還需減去空載時起重臂拉桿的伸長量。同時，還需綜合考慮起重臂各組合臂時起重臂拉桿縮短的合理分配，使每種組合起重臂的變形最小。QTZ80(T6011-6)塔機(jī)長拉桿縮短21mm，短拉桿縮短3mm，得到了空載時較筆直的起重臂。

4 結(jié) 論

本文提出的尖頭式塔式起重機(jī)起重臂預(yù)置上翹高度的方法，符合現(xiàn)代塔式起重機(jī)起重臂及其拉桿的設(shè)計方向，能較好地應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，對新產(chǎn)品的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用，具有很好的工程應(yīng)用價值。

（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TH212;TH213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0031-02

［收稿日期］2014-09-23

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