PZQ2600型附著自升塔式起重機底架結(jié)構(gòu)的有限元分析

孫秋香

（鄭州科潤機電工程有限公司，鄭州 450015）

PZQ2600型附著自升塔式起重機底架結(jié)構(gòu)的有限元分析

孫秋香

（鄭州科潤機電工程有限公司，鄭州 450015）

以PZQ2600塔式起重機底架為分析對象，通過三維設(shè)計軟件Creo，建立底架結(jié)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件Workbench中，對底架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，為塔式起重機底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一種方法。

Creo；Workbench；塔式起重機；底架

0 引言

塔式起重機（以下簡稱塔機）是各種工程建設(shè)，特別是現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑的重要施工機械［1］。塔機底部采用底架結(jié)構(gòu)形式，一般是十字型結(jié)構(gòu)，通過銷軸連接，為了保證工作的穩(wěn)定，通常在十字型結(jié)構(gòu)梁上配置一定的壓重。PZQ2600型塔機適用于大型火電工程施工，最大起重量為150 t，最大工作幅度為80m，最大起重力矩26250 kN·m。本文對此型塔機底架結(jié)構(gòu)進行強度和剛度的分析，為以后同類型塔機的底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了重要的參考意義。

1 底架的金屬結(jié)構(gòu)

PZQ2600型塔機底架采用金屬箱梁結(jié)構(gòu)，呈十字型，包括十字梁、一字梁、支腿等。梁截面形式采用箱型截面，十字梁和一字梁之間采用銷軸連接，梁與支腿采用球鉸連接。塔機使用銷軸連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺栓連接，使得底架安裝拆卸方便快捷。

2 底架結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文以自主研發(fā)的PZQ2600型塔機底架為研究對象，首先采用Creo軟件建立底架結(jié)構(gòu)的三維實體模型，然后導(dǎo)入到Workbench中進行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)采用實體單元進行網(wǎng)格劃分。底架的模型做了相應(yīng)的簡化處理，底架有限元模型如圖1所示。

2.2 邊界條件及簡化

在實際建模過程中，應(yīng)用實體單元建立底架十字梁、一字梁等主結(jié)構(gòu)有限元模型時，省略一些次要結(jié)構(gòu)如梯子平臺等；慣性載荷是通過施加加速度實現(xiàn)的［2］，進行靜力學(xué)分析時，可通過施加重力加速度來保證模型的自重。為便于加載，臂架的不平衡彎矩轉(zhuǎn)化到塔身和底架連接處的豎向力來施加。對底架四個角點連接處的6個自由度施加全約束。

圖1 底架結(jié)構(gòu)有限元模型圖

2.3 載荷的施加

在塔機自立工況下，考慮最不利的載荷組合，即臂架沿著塔身的對角線方向。分析底架所承受的載荷包括水平力、豎向力（不包含壓重）、不平衡彎矩、回轉(zhuǎn)扭矩和壓重等。其中豎向力均勻作用在塔身四個主弦上，不平衡彎矩主要由對角線方向的主弦承擔(dān)，壓重通過底架梁傳至4個鉸支座處，水平力和扭矩由底架各梁平均分擔(dān)。豎向力N＝6860 kN，水平力H＝4×17.15 kN，壓重G＝4×200 kN；不平衡力矩M＝23520 kN·m，扭矩T＝3920 kN·m。根據(jù)經(jīng)驗，不平衡力矩和扭矩不同時作用，不平衡力矩產(chǎn)生的作用更不利。底架材料均為Q345B，底架結(jié)構(gòu)載荷施加圖如圖2所示。

3 底架的強度和剛度分析

3.1 底架的強度分析

底架應(yīng)力云圖如圖3所示，從圖中可知，主梁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔身受壓主弦處，應(yīng)力值為192.35 MPa，滿足材料許用應(yīng)力要求。在底架固定約束附近變截面梁處出現(xiàn)極大應(yīng)力值296.35MPa，此處應(yīng)力集中，在極限應(yīng)力345 MPa范圍內(nèi)，滿足應(yīng)力要求。

圖2 底架結(jié)構(gòu)載荷施加圖

圖3 底架應(yīng)力云圖

3.2 底架的剛度分析

底架剛度對塔身底部的剛度和塔身的垂直度影響很大［3］，設(shè)計時底架的最大下?lián)狭靠刂圃诳缍鹊那Х种?。底架兩端跨度?6.97m，許用靜位移為16.97mm。底架位移云圖如圖4所示，底架最大靜位移出現(xiàn)在塔身受壓主弦處，位移值為12.087mm，在許用范圍16.97mm之內(nèi)，符合剛度控制要求。

圖4 底架位移云圖

4 結(jié)論

（1）分析可知，底架主結(jié)構(gòu)強度、剛度滿足設(shè)計要求；底架固定約束附近變截面梁處應(yīng)力情況接近材料的極限，這是因為梁截面尺寸發(fā)生突變以導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，宜適當(dāng)通過圓弧板過渡或者改變幾何尺寸來消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）通過運用三維繪圖軟件Creo建立底架的三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件Workbench中，對底架結(jié)構(gòu)進行危險工況下的有限元分析，為相同類型的塔機底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析提供了一種方法。

［1］張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機設(shè)計手冊上卷［M］.北京：中國鐵道出版社，2013.

［2］凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYSWorkbench 13.0從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

［3］徐格寧.起重運輸機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

（本文責(zé)編：劉炳鋒）

TB 24

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1674-1951（2016）11-0040-02

孫秋香（1982—），女，河南駐馬店人，工程師，從事起重機設(shè)計、執(zhí)行方面的工作（E-mail：13343739193＠163.com）。

2016-09-29；

2016-10-25