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塔式起重機強度分析與整機抗傾覆穩(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QTZ63塔式起重機的工程實例，運用有限元軟件建立了塔式起重機的有限元模型，對其強度進行了分析，研究了三種工況下塔機的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，同時在設(shè)計塔式起重機基礎(chǔ)時，對整機的抗傾覆穩(wěn)定性進行了計算。

ANSYS；塔式起重機；強度分析；穩(wěn)定性分析

一、引言

隨著建筑施工的集成化，高重塔機隨之產(chǎn)生，塔式起重機作為典型的起重機械，被廣泛應(yīng)用于建筑施工和工業(yè)起重中。塔式起重機也叫塔機或塔吊，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、拆卸及運輸?shù)忍攸c。

塔式起重機的強度和剛度直接決定了在施工過程中的安全性和可靠性，塔式起重機整機的傾覆更可能帶來機毀人亡的代價，給用戶帶來巨大的經(jīng)濟損失和人身傷害。塔式起重機穩(wěn)定性是指塔式起重機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，塔式起重機最大的安全事故發(fā)生在頂升的時候和整機的傾覆穩(wěn)定性。分析研究獨立式塔吊基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性具有實際的工程價值和意義。

通過QTZ63塔式起重機的工程實例，運用有限元軟件ANSYS建立了塔式起重機的有限元模型，對其強度進行了分析，研究了三種工況下塔機的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，同時在設(shè)計塔式起重機基礎(chǔ)時對整機的抗傾覆穩(wěn)定性進行了計算。

二、有限元分析

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實的物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬。利用簡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限未知量的真實系統(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、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、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)計算機及操作系統(tǒng)中運行，從PC到工作站直到巨型計算機，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容，這樣就確保了ANSYS對多領(lǐng)域多變工程問題的求解。

ANSYS分析過程中包含三個主要的步驟：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、設(shè)定約束條件、求解)；查看結(jié)果(查看分析結(jié)果、檢驗分析結(jié)果是否正確)。本文通過QTZ63塔式起重機的工程實例，具體分析過程如下。

(一)已知QTZ63塔式起重機參數(shù)

已知塔機的工作高度為40.5m，臂長為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方面來建立塔機的有限元模型：

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

第二，模型的受力情況應(yīng)與實際塔機的工作情況相符合；

第三，模型邊界處理應(yīng)與塔機實際的工作情況相符合。

基于以上原則，對塔機模型進行簡化。

1.回轉(zhuǎn)部分的簡化

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

2.塔機其他附件的簡化

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

(三)單元類型選擇

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

本模型中主要采用BEAM189梁單元來模擬塔身和吊臂，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，對塔式起重機進行簡化，簡化模型如圖1所示。

圖1　塔式起重機簡化模型

(四)確定邊界條件

根據(jù)上述假設(shè)條件，對塔式起重機進行簡化，認(rèn)為塔機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。本文主要研究塔機在工作狀態(tài)、靜態(tài)無風(fēng)條件下的強度情況，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確定進行調(diào)整整機質(zhì)量，與實際重量相符合。

三、塔式起重機強度計算

(一)工況計算

主要研究了塔機在工作狀態(tài)、靜態(tài)無風(fēng)條件下進行的強度分析。根據(jù)塔機起升特性和實際使用情況，選擇了三個比較典型的工況位置進行強度分析，如表1所示。

表1　不同工況位置的強度分析

(二)不同工況下塔機強度分析

三種不同工況下塔機應(yīng)力圖如圖2—圖4所示，

圖2　吊重處于50m處塔機應(yīng)力

圖3　吊重處于38m處塔機應(yīng)力

圖4　吊重處于14.5m處塔機應(yīng)力

從圖2 可以看出，吊重在50m處時最大等效應(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度，所以鋼材的強度滿足條件，但是吊重在38m處的時候，其最大等效應(yīng)力為215MPa，與鋼材安全級數(shù)下的的屈服極限345/1.5=230MPa相接近，因此應(yīng)對此處進行加強。

四、抗傾覆穩(wěn)定性計算

根據(jù)FEM標(biāo)準(zhǔn)《歐洲起重機械設(shè)計規(guī)范》的要求，塔式起重機抗傾翻穩(wěn)定性的計算主要包括塔機靜態(tài)穩(wěn)定性、動態(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)進行計算。

(一)工作狀態(tài)、靜態(tài)無風(fēng)抗傾覆穩(wěn)定性計算

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。

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

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

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

塔身及其余部分對傾覆邊緣的力矩：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)《歐洲起重機械設(shè)計規(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)、無風(fēng)的條件下，塔機的整體穩(wěn)定性滿足要求。

(二)工作狀態(tài)、動態(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)《歐洲起重機械設(shè)計規(guī)范》的要求：該工況KG取1.0，Kp取1.35。

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

(三)突然卸載

此時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)《歐洲起重機械設(shè)計規(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)機構(gòu)制動松開，風(fēng)由后向前吹，對應(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)《歐洲起重機械設(shè)計規(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)此時風(fēng)向為從吊臂吹向平衡臂，風(fēng)力大小為工作狀態(tài)風(fēng)壓，該工況對應(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，塔機的整體穩(wěn)定性滿足要求。

2.安裝起重臂

假設(shè)此時風(fēng)向為從平衡臂吹向吊臂，風(fēng)力大小為工作狀態(tài)風(fēng)壓，該工況對應(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，塔機的整體穩(wěn)定性滿足要求。

3.安裝平衡臂配重

假設(shè)此時風(fēng)向為從吊臂吹向平衡臂，風(fēng)力大小為工作狀態(tài)風(fēng)壓，該工況對應(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，塔機的整體穩(wěn)定性滿足要求。

五、結(jié)論

以QTZ63塔式起重機為工程實例模型，運用ANSYS軟件建立了塔式起重機的有限元模型，對其強度進行了分析，研究了三種工況下塔機的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，在設(shè)計塔式起重機基礎(chǔ)的同時，對整機的抗傾覆穩(wěn)定性進行了計算[5]。得出結(jié)論如下：

其一，在三種不同工況下，塔機結(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度，滿足強度要求，但與安全系數(shù)下的屈服強度相接近，為保證安全性，需要進行加強。

其二，塔機靜態(tài)穩(wěn)定性、動態(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)整機傾覆穩(wěn)定性，均滿足FEM標(biāo)準(zhǔn)《歐洲起重機械設(shè)計規(guī)范》的要求。

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

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[4]王武奇.QTZ630型塔式起重機結(jié)構(gòu)有限元分析及地震影響研究[D].長安大學(xué),2009.

[5]馮強.基于平頭塔式起重機起重臂動態(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，主要從事機械設(shè)計及理論，液壓與氣壓傳動專業(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械設(shè)計專業(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，主要從事機電一體化專業(yè)教學(xué)與研究工作。

TH213.3

A

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