張騫，胡婷，曾光，趙小偉，姚俊威

(鄭州科潤機電工程有限公司，鄭州 450015)

0 引言

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

由于頂升過程中承座與塔身的連接要放開，只有外側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準節(jié)緊密接觸，防止塔式起重機上部傾覆，任何不確定的因素都會對塔式起重機頂升造成重大的影響。通過對塔式起重機事故的統(tǒng)計分析，頂升過程中的事故占據(jù)相當大的比例，因此，對頂升結構進行分析研究有重要意義。

1 頂升套架的結構和受力特點

1.1 頂升套架的結構特點

頂升套架的結構如圖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)，塔式起重機上部結構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，合理布置套架結構中的腹桿，對增大套架本身的剛度有重要影響。

圖1 頂升套架的結構

頂升過程結束時，需要從套架的側面引入標準節(jié)，套架結構在引入標準節(jié)這個側面范圍內(nèi)不能布置腹桿，缺少腹桿支撐的套架結構，其自身框架的抗扭剛度和強度都會有所下降。同時，對于重型塔式起重機而言，標準節(jié)本身的重量很大，會對套架結構產(chǎn)生一個附加彎矩。

1.2 頂升套架的受力特點

頂升過程中，套架是主要的受力結構。為了平衡上部結構重量產(chǎn)生的不平衡彎矩，在頂升作業(yè)前要調整上部結構的重心，使其作用在油缸的中心線上。由于調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。例如風載荷，當風向平行于起重臂時，風載荷主要以水平方向的載荷作用在套架結構上；當風向垂直于起重臂時，風載荷會對塔身的中心產(chǎn)生一個扭轉載荷，而且風載荷的方向、大小是隨時變化的。當在一定的高度進行頂升作業(yè)時，還要考慮風振對套架結構的影響。這些不平衡載荷由套架結構與標準節(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準節(jié)上，從而使有些滑塊與標準節(jié)脫離?；瑝K受力的不確定性，導致套架結構受力情況的不同。

圖2 頂升套架載荷受力簡圖

2 頂升套架的力學模型

頂升套架結構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。套架結構的計算采用疊加法，其簡化受力情況如圖2所示。

2.1 豎向力FN作用下的套架結構分析

豎向力FN主要由起重臂、平衡臂、平衡重、機臺、承座和待引入的標準節(jié)重量引起。另外，在進行頂升時，滑塊對套架結構將產(chǎn)生摩擦力，可近似按套架結構上部自重的10%計算。由圖3可知，豎向力與油缸的推力匯交于套架下部某一點，由力系平衡原理可知，油缸的推力為

FT=0.5FN/cosφ。

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圖3 垂直載荷作用下套架的受力簡圖

2.2 水平力FH作用下的套架結構分析

水平力FH主要是風載荷引起的，在這種工況下，取風向垂直于臂架方向。風載荷的計算參考GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》。在風載荷的作用下，對套架的中心產(chǎn)生一個扭矩Tn。套架結構作為一個空間桁架結構，在水平力FH和扭矩Tn的作用下，把套架的空間結構轉化為平面桁架結構，即把水平力FH和扭矩Tn分解到套架的4個平面桁架結構中，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作用下的套架結構分析

彎矩M主要由豎向力FN引起，頂升狀態(tài)工作時，套架上部結構自重載荷的重心作用在油缸中心線的平面內(nèi)，豎向力相對套架結構中心的偏心距離為e，當引入標準節(jié)時，標準節(jié)的自重載荷(Fz)相對套架結構中心的距離為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。

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3 頂升套架的結構分析

3.1 套架結構分析時的問題和工況

頂升作業(yè)時，套架上的滑塊起導向和平衡不平衡彎矩的作用，只有當滑塊和標準節(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。在計算后分析結果，凡是受壓的滑塊單元給予保留，受拉的單元予以刪除，再進行計算并分析結果。由于受拉滑塊單元的刪除，會使原先一些受壓的單元轉變?yōu)槭芾膯卧?，再刪除受拉的滑塊單元進行計算，經(jīng)過反復計算后，結果趨于穩(wěn)定。

圖4 水平力和扭矩的分解示意圖

豎向力和引進標準節(jié)時引起的不平衡彎矩靠套架與塔身之間的滑塊支承，套架和塔身標準節(jié)的結構剛度會對滑塊的受力造成影響，在分析套架結構時，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構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與塔身單元相接觸，若兩者之間有間隙，有限元計算的結果將不真實)。在實際頂升開始之前，滑塊與塔身之間有一定的間隙，這個間隙可以人為調整，應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，在分析套架結構時要考慮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，套架結構與油缸鉛垂線的夾角最大。工況2：油缸的行程達到最大，套架頂升到最高位置，套架結構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，準備下一次頂升。本文以工況2為例對套架結構進行分析。

3.2 套架結構的有限元分析

某火電建設用塔式起重機，為動臂式臂架、外套架頂升的塔式起重機。采用雙油缸頂升，油缸布置在套架的左右兩側，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。套架結構的材料為Q345B。

在頂升開始前，調整上部結構的重心，使其重心作用在兩側油缸中心線形成的鉛垂面內(nèi)，此時塔式起重機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(包括風載荷)。套架結構各桿件采用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 分析結果評價

經(jīng)過有限元計算，按照第四強度理論合成的應力如圖6所示。由圖6可以看出，最大應力在油缸上部的桿件與油缸的交接處，當油缸頂升時，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)點有偏心，因此附加彎矩也大。最大桿件的復合應力滿足材料Q345B的許用應力(按載荷組合B，材料的許用應力為257 MPa)，但此桿件為一受壓構件，桿件的穩(wěn)定性計算應力為261 MPa，超過材料的許用應力。若增大桿件的規(guī)格，受此處的空間限制，焊縫的質量等級要求較高?？紤]到此處結構的重要性，把油缸上部的位置用鋼板封了起來，用箱型結構代替了桿件結構，極大地改善了此處結構的受力。

圖6 項升套架的合成應力圖

4 結束語

本文分析了自升動臂式塔機套架結構的特點和受力情況，選取套架結構受力的最大工況，結合有限元軟件ANSYS對某火電廠的塔機套架結構進行計算。由計算結果可知，在套架頂升作業(yè)時，頂升油缸和套架連接處受力較大，設計套架結構時應對此進行局部加強處理。塔機套架結構受力比較復雜，人工計算難度較大且容易出錯，借助有限元軟件可以快速、準確地計算套架結構的受力，為以后此類型塔機的套架結構設計提供了一種很好的設計方法。

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