閆嘉琪，沈曉斌，李　蕊

(天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津　300400)

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QTZ63塔式起重機(jī)強(qiáng)度分析與整機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析

閆嘉琪，沈曉斌，李蕊

(天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300400)

通過(guò)QTZ63塔式起重機(jī)的工程實(shí)例，運(yùn)用有限元軟件建立了塔式起重機(jī)的有限元模型，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了分析，研究了三種工況下塔機(jī)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，同時(shí)在設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)基礎(chǔ)時(shí)，對(duì)整機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。

ANSYS；塔式起重機(jī)；強(qiáng)度分析；穩(wěn)定性分析

一、引言

隨著建筑施工的集成化，高重塔機(jī)隨之產(chǎn)生，塔式起重機(jī)作為典型的起重機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于建筑施工和工業(yè)起重中。塔式起重機(jī)也叫塔機(jī)或塔吊，它具有工作效率高、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度大、操作方便以及結(jié)構(gòu)模塊化便于安裝、拆卸及運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。

塔式起重機(jī)的強(qiáng)度和剛度直接決定了在施工過(guò)程中的安全性和可靠性，塔式起重機(jī)整機(jī)的傾覆更可能帶來(lái)機(jī)毀人亡的代價(jià)，給用戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害。塔式起重機(jī)穩(wěn)定性是指塔式起重機(jī)在自重和外載荷的作用下抵抗傾倒的能力?；A(chǔ)的傾覆必定導(dǎo)致塔機(jī)的傾覆，基礎(chǔ)的傾斜必然加大基礎(chǔ)傾覆的可能性?，F(xiàn)今，塔式起重機(jī)最大的安全事故發(fā)生在頂升的時(shí)候和整機(jī)的傾覆穩(wěn)定性。分析研究獨(dú)立式塔吊基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性具有實(shí)際的工程價(jià)值和意義。

通過(guò)QTZ63塔式起重機(jī)的工程實(shí)例，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立了塔式起重機(jī)的有限元模型，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了分析，研究了三種工況下塔機(jī)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，同時(shí)在設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)基礎(chǔ)時(shí)對(duì)整機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。

二、有限元分析

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬。利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)分析的有限元方法是由一批學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究者在20世紀(jì)50年代到60年代創(chuàng)立的。

ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行，從PC到工作站直到巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容，這樣就確保了ANSYS對(duì)多領(lǐng)域多變工程問(wèn)題的求解。

ANSYS分析過(guò)程中包含三個(gè)主要的步驟：創(chuàng)建有限元模型(創(chuàng)建或讀入幾何模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格)；施加載荷并求解(施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件、求解)；查看結(jié)果(查看分析結(jié)果、檢驗(yàn)分析結(jié)果是否正確)。本文通過(guò)QTZ63塔式起重機(jī)的工程實(shí)例，具體分析過(guò)程如下。

(一)已知QTZ63塔式起重機(jī)參數(shù)

已知塔機(jī)的工作高度為40.5m，臂長(zhǎng)為50m，標(biāo)節(jié)尺寸為1.6×1.6×2.5m，最大額定起重量6t。

(二)有限元模型的建立

為了使模型更加合理，應(yīng)該綜合考慮從以下幾個(gè)方面來(lái)建立塔機(jī)的有限元模型：

第一，模型應(yīng)能夠全面、準(zhǔn)確地反應(yīng)塔機(jī)的結(jié)構(gòu)；

第二，模型的受力情況應(yīng)與實(shí)際塔機(jī)的工作情況相符合；

第三，模型邊界處理應(yīng)與塔機(jī)實(shí)際的工作情況相符合。

基于以上原則，對(duì)塔機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.回轉(zhuǎn)部分的簡(jiǎn)化

由于回轉(zhuǎn)部分相對(duì)于塔機(jī)整體結(jié)構(gòu)而言，其幾何尺寸小，剛度大，質(zhì)量集中，且實(shí)體部分相對(duì)于穩(wěn)定，在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，可將回轉(zhuǎn)部分采用質(zhì)量單元進(jìn)行等效處理。

2.塔機(jī)其他附件的簡(jiǎn)化

電機(jī)等其他塔機(jī)附件相對(duì)于塔機(jī)整體結(jié)構(gòu)而言，集合尺寸小，質(zhì)量集中，對(duì)塔機(jī)的整體強(qiáng)度影響不大，將塔機(jī)上的其他附件采用質(zhì)量單元進(jìn)行等效處理；變幅鋼絲繩分布均勻，可通過(guò)改變相應(yīng)桿件的密度來(lái)添加其質(zhì)量；變幅小車，吊鉤與吊重同時(shí)作用在起重臂上，可與吊重一起作為起升載荷處理。

(三)單元類型選擇

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)分析問(wèn)題的幾何結(jié)構(gòu)、分析類型和所分析的問(wèn)題精度要求等，選定合適具體分析的單元類型。

本模型中主要采用BEAM189梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬塔身和吊臂，link10單元分別模擬拉桿，mass20模型質(zhì)量單元，只考慮受拉，不考慮受壓。根據(jù)上述假設(shè)條件，對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1　塔式起重機(jī)簡(jiǎn)化模型

(四)確定邊界條件

根據(jù)上述假設(shè)條件，對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，認(rèn)為塔機(jī)基座部分能承受彎扭載荷，考慮成為固定支座，即ALL DOF=0，塔機(jī)所受載荷有自重載荷、起升載荷(包括吊重和索具的重量)、風(fēng)載荷以及回轉(zhuǎn)慣性載荷等組成。本文主要研究塔機(jī)在工作狀態(tài)、靜態(tài)無(wú)風(fēng)條件下的強(qiáng)度情況，因此，載荷只有自重載荷和起升載荷。自重載荷中起重臂、塔身、平衡臂等定義密度即可，而回轉(zhuǎn)部分、配重、壓重需要用mass質(zhì)量單元和材料密度來(lái)確定進(jìn)行調(diào)整整機(jī)質(zhì)量，與實(shí)際重量相符合。

三、塔式起重機(jī)強(qiáng)度計(jì)算

(一)工況計(jì)算

主要研究了塔機(jī)在工作狀態(tài)、靜態(tài)無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行的強(qiáng)度分析。根據(jù)塔機(jī)起升特性和實(shí)際使用情況，選擇了三個(gè)比較典型的工況位置進(jìn)行強(qiáng)度分析，如表1所示。

表1　不同工況位置的強(qiáng)度分析

(二)不同工況下塔機(jī)強(qiáng)度分析

三種不同工況下塔機(jī)應(yīng)力圖如圖2—圖4所示，

圖2　吊重處于50m處塔機(jī)應(yīng)力

圖3　吊重處于38m處塔機(jī)應(yīng)力

圖4　吊重處于14.5m處塔機(jī)應(yīng)力

從圖2 可以看出，吊重在50m處時(shí)最大等效應(yīng)力為195MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在吊臂根部；從圖3中可以看出，吊重在38m處時(shí)最大等效應(yīng)力為215MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在吊臂根部；從圖4中可以看出，吊重在14.5m處時(shí)最大等效應(yīng)力為204MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在吊臂根部。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，在三種工況下，其結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均發(fā)生在吊臂的根部，其最大應(yīng)力均小于鋼材所用的屈服強(qiáng)度，所以鋼材的強(qiáng)度滿足條件，但是吊重在38m處的時(shí)候，其最大等效應(yīng)力為215MPa，與鋼材安全級(jí)數(shù)下的的屈服極限345/1.5=230MPa相接近，因此應(yīng)對(duì)此處進(jìn)行加強(qiáng)。

四、抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)FEM標(biāo)準(zhǔn)《歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，塔式起重機(jī)抗傾翻穩(wěn)定性的計(jì)算主要包括塔機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、突然卸載穩(wěn)定性等工作狀態(tài)和暴風(fēng)侵襲穩(wěn)定性以及安裝架設(shè)穩(wěn)定性非工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

(一)工作狀態(tài)、靜態(tài)無(wú)風(fēng)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

小車位于吊臂50m處(吊臂最遠(yuǎn)端)起吊額定載荷重量為1.3t，不考慮附加載荷和坡度的影響。

吊臂對(duì)傾覆邊緣的力矩：Md=(27.285-4.5)×41.5=945.5775KN·m

平衡臂對(duì)傾覆邊緣的力矩：Mp=(6.3889+4.5)×19.70=214.51133KN·m

配重對(duì)傾覆邊緣的力矩：Mz=(11.315+4.5)×143=2261.545KN·m

塔身及其余部分對(duì)傾覆邊緣的力矩：Mq=(24857.8+11618.8+46.33)×4.5×10-2=1638

混凝土基礎(chǔ)對(duì)傾覆邊緣的力矩：Mh=9×415/2=1867.5KN·m

穩(wěn)定力矩代數(shù)和為：

∑M=KG(Mq+MZ+MP-Md+Mh)-KPPQ(Rmax-b)

=1.0×(214.51133+2261.545+1867.5-945.5775+1638)-1.6×26.43×(50-4.5)

=3233>0

根據(jù)FEM標(biāo)準(zhǔn)《歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求：該工況KG取1.0，Kp取1.6。

所以在工作狀態(tài)、靜態(tài)、無(wú)風(fēng)的條件下，塔機(jī)的整體穩(wěn)定性滿足要求。

(二)工作狀態(tài)、動(dòng)態(tài)、有風(fēng)

小車位于吊臂60m處(吊臂最遠(yuǎn)端)起吊額定載重量1.3t，穩(wěn)定回轉(zhuǎn)，風(fēng)作用在臂架平面，該工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為250N/m2。

穩(wěn)定力矩代數(shù)和為：

∑M=KG(Mq+MZ+MP-Md+Mh)-KPPQ(Rmax-b)-PPh2-W1h1

=1.0×(214.51133+2261.545+1867.5-945.5775+1638)-1.35×26.43×(50-4.5)-27.764×30-1.19×(50-4.5)>0

根據(jù)FEM標(biāo)準(zhǔn)《歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求：該工況KG取1.0，Kp取1.35。

所以在工作狀態(tài)、動(dòng)態(tài)、有風(fēng)的條件下，塔機(jī)的整體穩(wěn)定性滿足要求。

(三)突然卸載

此時(shí)突然卸載或吊具脫落，工作狀態(tài)下的最大風(fēng)力由前向后吹，該工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為250 N/m2。

穩(wěn)定力矩代數(shù)和為：

∑M=KG(Mq-MZ-MP+Md+Mh)+Kppq(Rmin+b)-W1h1

=1.0×(1638-974.545-37.21133+134.4875+2261.545)-0.2×79.23×(1.7+4.5)-27.764×30>0

根據(jù)FEM標(biāo)準(zhǔn)《歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求：該工況KG取1.0，Kp取0.2。

所以在突然卸載的條件下，塔機(jī)的整體穩(wěn)定性滿足要求。

(四)暴風(fēng)侵襲

此工作狀態(tài)下回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)松開(kāi)，風(fēng)由后向前吹，對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為1100 N/m2。

穩(wěn)定力矩代數(shù)和為：

∑M=KG(Mq+MZ+MP-Md+Mh)-1.1W1h1

=1.0×(214.51133+2261.545+1867.5+1638-945.5775)-1.1×(141.48+31.11) ×30>0

根據(jù)FEM標(biāo)準(zhǔn)《歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求：該工況KG取1.0。

所以在暴風(fēng)侵襲的條件下，塔機(jī)的整體穩(wěn)定性滿足要求。

(五)安裝架設(shè)(拆卸)穩(wěn)定性

1.安裝平衡臂

假設(shè)此時(shí)風(fēng)向?yàn)閺牡醣鄞迪蚱胶獗?，風(fēng)力大小為工作狀態(tài)風(fēng)壓，該工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為250 N/m2。

穩(wěn)定力矩代數(shù)和為：

∑M=Mt+Mh+Ms-MW-Mp

=1867.5+832.56-214.51133-275.6-27.764×30=1377.02>0

所以在安裝平衡臂下，塔機(jī)的整體穩(wěn)定性滿足要求。

2.安裝起重臂

假設(shè)此時(shí)風(fēng)向?yàn)閺钠胶獗鄞迪虻醣?，風(fēng)力大小為工作狀態(tài)風(fēng)壓，該工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為250 N/m2。

穩(wěn)定力矩代數(shù)和為：

∑M=Mt+Mh+Ms+Mp-MW1-MW2-Md

=832.56+214.51133+1867.5-1096.86-27.764×30=984.79>0

所以在安裝起重臂下，塔機(jī)的整體穩(wěn)定性滿足要求。

3.安裝平衡臂配重

假設(shè)此時(shí)風(fēng)向?yàn)閺牡醣鄞迪蚱胶獗?，風(fēng)力大小為工作狀態(tài)風(fēng)壓，該工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為250 N/m2。

穩(wěn)定力矩代數(shù)和為：

∑M=Mt+Mh+Ms-Mp-MW1-MW2+Md-Mz

=832.56+214.51133+1867.5-23.468-29.426-17.063-26.085=2818.52933>0

所以在安裝平衡臂配重下，塔機(jī)的整體穩(wěn)定性滿足要求。

五、結(jié)論

以QTZ63塔式起重機(jī)為工程實(shí)例模型，運(yùn)用ANSYS軟件建立了塔式起重機(jī)的有限元模型，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了分析，研究了三種工況下塔機(jī)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，在設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)基礎(chǔ)的同時(shí)，對(duì)整機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算[5]。得出結(jié)論如下：

其一，在三種不同工況下，塔機(jī)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均發(fā)生在吊臂根部，其最大應(yīng)力均小于鋼材的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，但與安全系數(shù)下的屈服強(qiáng)度相接近，為保證安全性，需要進(jìn)行加強(qiáng)。

其二，塔機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、突然卸載穩(wěn)定性等工作狀態(tài)和暴風(fēng)侵襲穩(wěn)定性以及安裝架設(shè)穩(wěn)定性非工作狀態(tài)整機(jī)傾覆穩(wěn)定性，均滿足FEM標(biāo)準(zhǔn)《歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

[1]龐洪臣，廖紅宜，楊杰華，劉文光.聯(lián)合收割機(jī)變速器齒輪接觸分析[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2013,(03).

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[5]馮強(qiáng).基于平頭塔式起重機(jī)起重臂動(dòng)態(tài)性能的多目標(biāo)優(yōu)化[D].西安交通大學(xué),2008.Analysis of Strength and Anti-overturning Stability of the Whole Machine of QTZ63 Tower Crane

YAN Jia-qi, SHEN Xiao-bin, LI Rui

(TianjinMetallurgicalVocation-technologyInstitute,Tianjin, 300400)

with example of QTZ63 tower crane and establishing a finite element model of tower cranes using finite element software, this paper analyzed its strength and study the distribution condition of the stress and strain of tower crane under three working conditions, at the same time, when design the tower crane foundation, the machine anti-overturning stability were calculated.

ANSYS; tower crane; strength analysis; stability analysis

2016-01-15

閆嘉琪(1959-)，男，天津市人，天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，液壓與氣壓傳動(dòng)專業(yè)的教學(xué)與研究工作；沈曉斌(1983-)，女，天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事高職院校機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的教學(xué)與研究工作；李蕊(1983-)，女，天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)與研究工作。

TH213.3

A

1673-582X(2016)09-0090-06