1、塔式起重機結構的靜力學分析摘要：強度和振動特性是設計塔式起重機的金屬結構的重要指標。文章從有限元的基礎理論出發,利用ANSYS軟件,對塔式起重機進行靜力學分析,獲得了其應力應變結果,比較了三種典型的工況,指出了極限吊重情況下靜態極限強度的位置,并分析了塔式起重機的振動頻率和振型,為研究塔式起重機的其他動力響應提供了依據。關鍵詞：塔式起重機 靜力學分析 有限元 ANSYS引言：塔式起重機（tower crane）簡稱塔機，亦稱塔吊，起源于西歐。動臂裝在高聳塔身上部的旋轉起重機。作業空間大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構件的安裝。由金屬結構、工作機構和電氣系統三部分組成。當起重

2、臂架繞塔式起重機的回轉部 分 作360°回轉、吊重載荷沿起重臂架運行并升降時以及由于驅動控制系統電機抖動等原因，都會使塔式起重機引起振動。在此情況下，吊重荷載等動荷載對塔式起重機結構所引起的內力和變形，要比同樣大小的靜荷載所引起的大，有時甚至大得多。由于塔式起重機結構及構件承受的動荷載一般都很大，而且加載次數較為頻繁，更容易產生疲勞破壞。作為大型設備,塔機的工作特點是根據建筑需要將物品在很大空間內升降和搬運,屬于危險作業。目前,在建筑施工中,由塔機引起的人員傷亡和設備事故屢禁不止,重大事故發生率居高不下。塔機的強度和振動頻率是影響塔機壽命和穩定性的重要 因素，因此對塔式起重機進行靜力

3、學和振動的研究是十分要 必要的。本文利用有限元分析軟件 對 塔式起重機630進行建模，分析了三種加載在塔式起重機 上的典型的工況，得出了塔式起重機在三種工況下的靜力學 應力和應變云圖，找出塔式起重機各個工況下的危險位置，為 其塔機的改進提供參考。提取出塔機的前 階振動模態，為其 他動力學響應提供研究依據。1. 塔式起重機的結構及性能參數1.1 塔式起重機的結構塔式起重機主要由機械部分、金屬結構和電氣三大部分組成。機械部分主要是指起升機構、運行機構、變幅機構、回轉機構、行走機構、架設機構 等等，這些機構根據工作需要或有或無，但起升機構是必不可少的。金屬結構是構成起重機械的軀體，是安裝各機構和支托

4、它們全部重量的主體部分。金屬結構主要由門架、塔身、其中避、塔頂與塔頂撐架、平衡臂、轉臺等組成，其中門架是起重機的基礎，所有物機和壓重均裝于其上。門架由兩個側架和一個長方形平臺組成。塔身結構也成為塔架，是塔式起重機結構的主題，主要指自底架以上的垂直塔桅部分，它支撐著塔式起重機上部結構的全部重量，并將其轉至底架和臺車，進而分布給軌道基礎。電氣是起重機械動作的能源，各機構都是單獨驅動的。在結構的力學分析中，主要分析塔身、塔臂和塔頂的桿件受力。1.2 性能參數起重能力：Rmax =50 m ，Q =1.2 t R=215.44 m ，Q=5 t 起升速度： 100/80/50/40/5 m/min 回

5、轉速度： 0.6/0.4 r/min 變幅速度： 45/16 m/min2. 創建塔式起重機的有限元模型塔機的金屬結構主要包括塔頂、起重臂架、平衡 臂、變幅小車、吊鉤以及上下轉臺等組成根據塔機 設計規范的規定，建立塔機結構幾何模型過程中，忽 略結構阻尼，不考慮非線性關系和過渡圓角為了有限元建模更加合理，應考慮：模型能全面準確地反映 塔機結構特點；模型受力應與塔機在工作時外載荷 作用下相同；模型的邊界條件處理應與塔機實際工 作時保持一致塔機有限元建模時，根據實際情況進 行必要簡化（1） 回轉機構簡化在中，塔機計算主 要使用梁單元、桿單元和板殼單元來構建有限元模 型對塔機結構進行整體分析時，可以將

6、回轉支承結 構等實體部件采用梁桿單元進行等效，使塔機的整 體分析中只包含梁單元，避免了具有不同結點自由 度的梁單元和板殼單元的聯接問題完成整體分析 之后，將整體分析中得到的等效單元的結點力作為 外載荷，采用板殼單元單獨分析其回轉機構 （）塔身、起重臂簡化塔身底部結構剛度很 大，簡化為固接支座起重臂根部簡化為固定鉸支 座起重臂與二根拉桿的連接及拉桿與塔頂的連接， 均按固定鉸支座處理平衡臂的臂根和塔機回轉節 的連接、平衡臂和二根拉桿的連接及拉桿與塔頂的 連接均為固定鉸支座塔頂與上回轉支座的連接及 下回轉支座與塔身的連接作為固接支座處理塔機中固定鉸支座需要用鉸鏈模擬，筆者采用耦合來模 擬鉸鏈對于固接

7、支座采用命令，約束其全部自由 度（，Y，） 使用自由度耦合分析塔機更方便塔機中需要 放松彎矩的地方多為各部件的鉸接處，在生成單元時，不必考慮各部件之間結點的銜接問題， 各部件可單獨建模，然后用耦合命令將部件聯 接處各相應結點自由度耦合起來即可，如圖對節點施加的約束，全部在節點坐標系中進行 的劃分節點時，通過調整單元尺寸，使塔機試驗報 告中各檢測點正好在劃定的各節點上，如不能調整 到正好重合，則取最近四點值的平均值作為該測點 的值有此得到該塔機有限元模型模型共約個單元和節點，如圖3. 塔式起重機的靜力學分析首先計算在載荷 處的應力應變，重物等效為對稱施加在和兩節點上的垂直集中載荷。對塔式起重機進

8、行求解計算，計算出塔式起重機的各個節點和單元的 位移與應力。通過 的后處理，能夠直觀地顯示出塔式 起重機的應力云圖和應變云圖。由圖中可以觀察出，塔式起重機的最大應變處發生在臂尖處。起重機的最大應力處為起重臂架和塔身的銜接處，最大 的應力。起重臂從拉桿與起重臂的相接觸的地方 至塔尖明顯有比較大的變化。機構有向重物傾覆的趨勢，符合 實際情況。 文章主要對比分析每種工況在不同位姿時所受的應力以 及位移的大小，具體數值如表 所示由表可得，最大應力和最大應變值隨著起重臂工作半 徑的減少而下降。可以知道最危險工況就是在臂尖處施加載 荷為 處的工況，此處的應力和應變均為最大，應盡量避免起吊物長時間停留于這個

9、位置。通過比較可得三種情況下應力最大值為 ,塔式起重機的最大應力值小 于 的最大應力 值，滿足起重機的規范設計要求，但是需要注意的是最 危險工況很接近塔式起重機的許用最大應力值，在塔式起重 機工作時要引起注意。 由一系列變形圖可知塔式起重機發生的最大應變在最 大在臂尖處，與實際情況是相互吻合的。最大位移處始終在臂 尖處，且鋼絲繩與上弦桿連接處為最大的變化率處，因而此處 不僅需要很高的強度，也需要更好的韌性。表2 頻率及振型描述4. 塔式起重機的動力學分析在進行塔式起重機的振動模態分析時，實際只需要考慮塔式起重機結構體系的自重 只需定義在重力(作用方向的重力加速度 和零位移約束，而不涉及其它的荷

10、載作用)由振動理論可知，對于一個多自由度振動系統，系統低階固有頻率對系統的動態響應影響較大，而高階固有頻率則影響較小。所以對多自由度系統只需其低階固有頻率就能反映系統的動態特性。故本文只提取起重臂的前階模態，實際分析設計中，可以根據需要獲取模態階次。5模態分析只需要指定分析類型是模態分析，然后定義需要的模態階數和矩陣特征值求解方法，就可 以開始模態分析求解了。5. 結論通過以上分析，可得到如下結論：630塔式起重機在運行過程中： （1）最危險的工況一般比較靠近臂尖； （2）塔機工作時上弦桿會受到比較大的應力； （3）最大位移處始終在臂尖處，且鋼絲繩與上弦桿連接處為最大的變化率處，設計時應該加以

11、注意；（4）塔式起重機在掛上重物的瞬間，起重臂中部、斜拉索的連接點 處，應力最大，設計制造的過程中應采取局部加強措施。（5）總體來看，基于桁架模型的塔機起重臂結構為一低頻振動系統，快速起升和突然卸載時的沖擊容易引起結構共振。（6）根據各階振型圖可知，塔式起重機的各階共振頻率均 較低且相差不大，在使用過程中要注意避免吊繩的擺動和載 荷的施加與釋放等低頻源激擾.參考文獻： 1李海虹 陳永會 李志譚 利用有限元法進行塔機起重臂的動態分析 J太原重型機械學院學報2003,24(2):106-109. 2張俊 軟件在塔式起重機結構動態分析中的應用J 機械設計與研究,2001,17(2):20-22. 3吳啟鶴 起