塔式起重機動態響應分析和測試

 

    關鍵詞：塔式起重機　動態響應　動強度測試

 

    由you於yu現xian代dai高gao層ceng結jie構gou的de施shi工gong要yao求qiu，自zi升sheng式shi塔ta式shi起qi重zhong機ji已yi成cheng為wei不bu可ke缺que少shao的de重zhong要yao施shi工gong機ji械xie
，而er且qie隨sui著zhe現xian代dai工gong業ye的de迅xun速su發fa展zhan和he市shi場chang競jing爭zheng的de加jia強qiang

，對dui塔ta式shi起qi重zhong機ji設she計ji的de要yao求qiu越yue來lai越yue高gao
，不bu僅jin要yao考kao慮lv其qi靜jing強qiang度du，更geng需xu要yao考kao慮lv動dong強qiang度du。所suo以yi
，塔ta機ji的de動dong力li特te性xing已yi成cheng為wei重zhong要yao的de研yan究jiu課ke題ti。

 

    本文主要論述了QTZ80型塔機，當吊重離地起升工況下的有限元動態響應分析和動強度電測試驗。

 

    1　有限元計算模型的建立

 

    1.1　對建模的要求

 

    建立正確而可靠的塔機結構體係有限元計算模型是一項十分重要的工作，它直接關係到結果的正確與否。

 

    本課題從研究要求出發，特作以下幾點假設：

 

    (1)變幅和起升鋼絲繩和滑輪可作為特殊的杆單元處理；

 

    (2)底架近似為剛性，作固定端處理；

 

    (3)忽略結構阻尼；

 

    (4)在正常運轉情況下
，結構振動不對原動機和傳動機構的運動產生影響
；

 

    (5)起重機在工作過程中

，鋼結構工作在彈性範圍內，力與變形屬線性關係，振動屬線性振動。

 

    1.2　常用單元

 

    針對塔機結構的特點
，用有限元法計算時，主要采用杆元、梁元、板元、塊元，板杆組合、板塊組合。共有節點9066個

，梁元1113個，塊元1836個
，殼元5868個。圖1表示了板杆組合的平衡臂，圖2表示了板元組成的下回轉支座中的立V板。

 

    圖1　平衡臂

 

    圖2　下回轉支座中的立V板

 

    1.3　支承與載荷

 

    1.3.1　支承與約束

 

    塔機本身和各部分結構都必須設置和支承在某一基礎或其它結構之上，即有其約束，對於QTZ80t型塔機的支承與約束作如下處理：

 

    塔ta身shen底di部bu結jie構gou剛gang度du很hen大da，又you與yu地di基ji用yong地di腳jiao螺luo栓shuan相xiang連lian
，則ze認ren為wei在zai底di部bu能neng承cheng受shou彎wan矩ju
，可ke以yi假jia定ding它ta是shi固gu接jie支zhi座zuo。起qi重zhong臂bi根gen部bu是shi通tong過guo銷xiao軸zhou與yu塔ta機ji的de回hui轉zhuan節jie相xiang連lian
，故gu在zai臂bi架jia起qi升sheng平ping麵mian可ke認ren為wei是shi固gu定ding鉸jiao支zhi座zuo。

 

    起qi重zhong臂bi二er根gen拉la杆gan以yi梁liang元yuan處chu理li
，其qi上shang吊diao點dian按an固gu定ding鉸jiao支zhi座zuo處chu理li。平ping衡heng臂bi的de臂bi根gen和he上shang吊diao點dian處chu理li方fang法fa與yu起qi重zhong臂bi相xiang似si，為wei固gu定ding鉸jiao支zhi座zuo。由you於yu塔ta身shen的de剛gang度du很hen大da，彎wan矩ju小xiao
，故gu可ke把ba塔ta帽mao與yu上shang回hui轉zhuan支zhi座zuo的de連lian接jie及ji下xia回hui轉zhuan支zhi座zuo與yu塔ta身shen的de連lian接jie做zuo為wei固gu接jie支zhi座zuo。

 

    1.3.2　載荷

 

    應用有限元法對塔式起重機結構進行分析時，載荷通常是給定的。

 

    根據載荷在結構上的分布情況
，可以分為以下二種：

 

    (1)集中載荷　外載荷作用在結構上的區域很小，如變幅小車的輪壓、吊重等
；

 

    (2)分布載荷　如ru果guo作zuo用yong在zai結jie構gou上shang的de載zai荷he是shi在zai一yi定ding麵mian積ji或huo一yi定ding長chang度du上shang
，稱cheng其qi為wei分fen布bu載zai荷he。塔ta機ji結jie構gou的de自zi重zhong
，風feng載zai荷he
，由you加jia速su運yun動dong引yin起qi的de慣guan性xing力li等deng
，通tong常chang都dou作zuo為wei分fen布bu載zai荷he。

 

    注意：在集中力作用處，支承約束處，幾何特性變化很大處都要劃分為節點。

 

    1.4　鋼絲繩、滑輪的處理

 

    由於我們采用有限元通用軟件，這些程序的單元庫中不可能包含鋼絲繩、hualundanyuan。yineryoushizaijisuanzhongjinjinbagangsishengjianhuaweigandanyuan
，erbukaolvhualunzuoyong。zheyangxianranbunengbaozhenggangsishengdezhouliyijihualunzhouduizhichengdezuoyongyushijiqingkuangxiangfu。suoyiwomenliyonggandanyuanmonigangsishenghualunzuoyong。hulvemocalideyingxiang，gangsishenghualunchengzaihoudeshoulizhuangtairutu3(a)所示。

 

    圖3　鋼絲繩滑輪承載後的受力狀態

 

    genjuhualundegouzaoheshoulitedian
，zaijianliyouxianyuanjisuanmoxingshi，zaijubugouzaoyigezaipingmianneisanganhuijiaoyuyidiandetixi

，laimonigangsishenghehualunzuoyong。jibahualunliangduandegangsishengfenbiequweiergegandanyuan，qizhouxiantonggangsishengdeshijizhouxianzhonghe。tongshizaigouzaoyigexindegandanyuanruAO杆
，它處於上述兩杆單元的對稱位置上代替了滑輪的作用。如圖3(b)所示。

 

    2　起升工況的動態響應分析

 

    起升是塔式起重機主要工況之一，正常起升包括上升啟動
、穩定上升、上升製動
、下降啟動、穩定下降和下降製動六個階段，其中上升啟、製動及下降啟
、製(zhi)動(dong)為(wei)非(fei)穩(wen)定(ding)運(yun)動(dong)狀(zhuang)態(tai)，吊(diao)重(zhong)會(hui)產(chan)生(sheng)動(dong)載(zai)荷(he)。這(zhe)就(jiu)使(shi)起(qi)重(zhong)臂(bi)結(jie)構(gou)上(shang)的(de)載(zai)荷(he)成(cheng)為(wei)交(jiao)變(bian)動(dong)載(zai)荷(he)，在(zai)此(ci)動(dong)態(tai)載(zai)荷(he)激(ji)勵(li)下(xia)
，起(qi)重(zhong)臂(bi)結(jie)構(gou)產(chan)生(sheng)振(zhen)動(dong)，結(jie)構(gou)中(zhong)應(ying)力(li)為(wei)交(jiao)變(bian)動(dong)應(ying)力(li)。

 

    在求得塔機係統的固有頻率、固有振型後就可以用直接積分法中的Wilson—θ法求解，因為Wilson—θ法無條件穩定
，具有二階精度，在高階模態具有可控的算法阻尼。

 

    計算工況分為離地起升和下降製動二種：

 

    下降製動有二種情況，一是將吊重安裝就位，二是空鉤下降取物。QTZ-80型(xing)塔(ta)機(ji)根(gen)據(ju)現(xian)行(xing)塔(ta)機(ji)設(she)計(ji)規(gui)範(fan)，起(qi)升(sheng)機(ji)構(gou)設(she)置(zhi)了(le)微(wei)動(dong)下(xia)降(jiang)速(su)度(du)擋(dang)。前(qian)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)在(zai)操(cao)作(zuo)時(shi)首(shou)先(xian)由(you)正(zheng)常(chang)下(xia)降(jiang)速(su)度(du)轉(zhuan)換(huan)為(wei)較(jiao)低(di)的(de)微(wei)動(dong)下(xia)降(jiang)速(su)度(du)，而(er)後(hou)再(zai)采(cai)取(qu)製(zhi)動(dong)。後(hou)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)雖(sui)常(chang)常(chang)由(you)高(gao)速(su)下(xia)降(jiang)直(zhi)接(jie)製(zhi)動(dong)，但(dan)為(wei)空(kong)載(zai)狀(zhuang)態(tai)。所(suo)以(yi)二(er)種(zhong)情(qing)況(kuang)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)動(dong)載(zai)荷(he)都(dou)遠(yuan)遠(yuan)小(xiao)於(yu)滿(man)載(zai)離(li)地(di)起(qi)升(sheng)工(gong)況(kuang)。

 

    故在QTZ-80型塔機實例計算中
，僅考慮吊重離地起升工況。

 

    2.1　吊重離地起升的三個階段

 

    第一階段：起升機構啟動並加速，鬆馳的鋼絲繩被拉直，但沒有張緊，所以結構並未受載。假設在鋼絲繩張緊以前，起升機構達到額定轉速。

 

    第二階段：起升機構繼續運轉，鋼絲繩張緊，張力逐漸增大，結構開始受載並振動；當鋼絲繩中張力稍大於物品的重量時，物品離地上升。為了簡化計算

，可認為第二階段中起升機構的運動速度保持不變。

 

    第三階段：物品離地後上升，在此階段中若座標原點取在靜平衡位置
，則係統從第二階段末了時的速度和位移為初始條件作自由振動。

 

    2.2　激勵載荷F(t)

 

    當吊重離地起升第一階段結束時激勵載荷F(t)是由起升機構卷繞和張緊鋼絲繩而產生的
，當單繩起升速度為Vt時，則起升鋼絲繩的張力即激勵載荷為：

 

    F（t）＝EwFw／Lw∫t0Vtdt

 

    式中　Ew——鋼絲繩彈性模量;

 

    Fw——鋼絲繩截麵麵積;

 

    Lw——鋼絲繩總長度;

 

    t——吊重脫離地麵的時間。

 

    對第二階段來講，第一階段結束時的動力參數也是它的初始激勵因素
，包括激勵力
、初始位移和初始速度。進入第二階段後，重物已經脫離地麵，鋼絲繩已不能再張緊以提高激勵力。所以F(t)是一個常量。此外

，在重物脫離地麵的瞬間
，重物尚無運動速度
，因此重物有向下相對運動的初始速度。

 

    結合QTZ80型塔機對吊重離地起升時進行的動態響應分析，得到了起重臂位移與時間和應力與時間的關係，見結論。

 

    2.3　計算時應注意的問題

 

    吊重離地起升與下降製動時采用二個假定建立運動方程：

 

    (1)在物品起升和下降製動過程中忽略起升鋼絲繩懸掛長度的改變；

 

    (2)在物品起升和下降製動過程中，原動機和傳動機構的運動不受結構振動的影響。

 

    3　動態應變測試

 

    本課題用電測法對塔機結構進行動態應變應力測量。

 

    動態應變測試目的是測定塔機主要結構的動態應力，確定塔機不同部件的動載係數

，驗證理論計算正確性。

 

    實測時在回轉節、起重臂
、塔身主弦杆上進行了測點布置
，整體布局如圖4所示。

 

    圖4　測點布置圖

 

    (黑色符號代表貼應變片的地方)

 

    4　結論

 

    （1）根據動強度測試及動態響應計算發現，塔機結構設計中不存在一個統一的動載係數：塔根處動載係數最大，起重臂次之，吊鉤最小。這是因為吊鉤的動載荷僅由吊重的慣性力引起

；起重臂的動載荷除了吊重的慣性力外，還有自身的慣性力
；塔身根部的動載荷則綜合了吊重、起重臂和塔身三者的慣性力。動載係數的測試值見表1。

 

    表1　動載係數測試值

 

    測點動載係數

 

    吊鉤1.14

 

    起重臂1.15

 

    回轉節1.4

 

    塔身1.55

 

    （2）起重臂動載係數的計算值與測試值基本吻合。圖5為動強度測試中起重臂的結構示意圖
，圖中所示的下弦杆為測試單元；在計算過程中，采用了與測試的起重臂具有相同的結構特征和材料特性建立的計算模型。圖5中的數字為計算模型中與測試點相對應的單元序號。

 

    圖5　起重臂下弦杆的測試單元

 

    從設計角度講
，計算值偏保守，在實際工程應用中是合理的。

 

    （3）當吊重作加速離地上升時，起重臂在垂直方向的最大位移與現場測試值基本一致。圖6為吊重加速離地上升時起重臂分別在X、Y和Z方向的位移響應計算值
，在每個圖中給出了起重臂在0.15～1.5s的時間範圍內10個時刻的響應。其中圖6?中所示的起重臂在垂直方向的位移
，最大值達到了620mm；根據現場測試，吊重加速離地上升時的起重臂的最大位移量在600mm～700mm範圍
；計算值在測試值的範圍之內。這說明所建立的模型是合理的，用有限元方法所計算出的結果是令人可信的。而且在各位移量中，Z方向位移起主要作用

，說明彎矩的影響是主要的，應重點考慮。

 

    圖6　吊重作離地上升運動時起重臂的響應計算值

 

    X方向位移是由起重臂上各結構偏心產生的彎矩引起的，Y方向位移是由塔身傾斜、Z方向位移、起重臂軸向壓力引起的，Z方向位移是由起重臂上各結構產生的彎矩引起的，由圖6可看到三個方向的位移都出現了正負值的變化，應加以重視。

 

    （4）圖7表示起重臂下弦杆受到吊重加速離地上升激勵載荷作用下的複合應力。由圖看到，靠近起重臂根部的地方(單元1和單元53)受拉應力，從53單元附近到起重臂端部受壓應力

，並且在雙吊點之間(20m左右)147單元出現最大壓應力
，這與起重臂所受的彎矩是相符的。

 

    圖7　吊重加速離地上升時起重臂下弦杆的複合應力

 

    （5）經計算後發現，當吊重加速離地上升時
，起重臂上產生的剪力非常大(見表3)，對結構的強度會有較大的影響

，不可忽略。

 

    表3　起重臂部分單元的剪力

 

    單元號剪力(N)單元號剪力(N)

 

    1137.314722570

 

    53-1072023413780

 

    94-19870238-36490

 

    150-48010324-339.5

 

    由(you)以(yi)上(shang)計(ji)算(suan)和(he)分(fen)析(xi)表(biao)明(ming)
，吊(diao)重(zhong)加(jia)速(su)離(li)地(di)上(shang)升(sheng)時(shi)，起(qi)重(zhong)臂(bi)在(zai)垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)上(shang)的(de)位(wei)移(yi)量(liang)較(jiao)大(da)，下(xia)弦(xian)杆(gan)上(shang)產(chan)生(sheng)的(de)複(fu)合(he)應(ying)力(li)較(jiao)大(da)
，並(bing)且(qie)受(shou)到(dao)較(jiao)大(da)的(de)剪(jian)力(li)作(zuo)用(yong)，對(dui)起(qi)重(zhong)臂(bi)的(de)結(jie)構(gou)強(qiang)度(du)和(he)工(gong)作(zuo)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)產(chan)生(sheng)不(bu)良(liang)的(de)影(ying)響(xiang)
，因(yin)此(ci)在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，操(cao)作(zuo)時(shi)應(ying)遵(zun)循(xun)操(cao)作(zuo)規(gui)程(cheng)
，避(bi)免(mian)吊(diao)重(zhong)以(yi)最(zui)大(da)加(jia)速(su)上(shang)升(sheng)。