QTZ25塔机的静力学及模态分析

王 波，韩 强,尹 晨，宋峻岭

（江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003）

塔机的强度和振动频率是影响塔机寿命和稳定性的重要因素，因此对塔式起重机进行静力学和振动的研究是十分要必要的。本文基于C A E技术，利用有限元分析软件ANSYS对塔式起重机QTZ25进行建模，分析了三种加载在塔式起重机上的典型的工况，得出了塔式起重机在三种工况下的静力学应力和应变云图，找出塔式起重机各个工况下的危险位置，为其塔机的改进提供参考。提取出塔机的前5阶振动模态，为其他动力学响应提供研究依据。

1 塔机的静力学分析

首先计算在载荷35m处的应力应变，重物等效为对称施加在326和327两节点上的垂直集中载荷。对QTZ25塔式起重机进行求解计算，计算出塔式起重机的各个节点和单元的位移与应力。通过ANSYS的后处理，能够直观地显示出塔式起重机的应力云图和应变云图。

图1 载荷施加在35 m处位移变形

图2 载荷施加在35 m处应力分布

由图中可以观察出，塔式起重机的最大应变处发生在臂尖处。

起重机的最大应力处为起重臂架和塔身的衔接处，最大的应力173.569 MPa。起重臂从拉杆与起重臂的相接触的地方至塔尖明显有比较大的变化。机构有向重物倾覆的趋势，符合实际情况。

文章主要对比分析每种工况在不同位姿时所受的应力以及位移的大小，具体数值如表1所示

表1 应力以及位移t

由表1可得，最大应力和最大应变值随着起重臂工作半径的减少而下降。可以知道最危险工况就是在臂尖处施加载荷为10000 N处的工况，此处的应力和应变均为最大，应尽量避免起吊物长时间停留于这个位置。

通过比较可得三种情况下应力最大值为173.569MPa,塔式起重机的最大应力值小于Q235C的最大应力值175 MPa，满足起重机的规范设计要求，但是需要注意的是最危险工况很接近塔式起重机的许用最大应力值，在塔式起重机工作时要引起注意。

由一系列变形图可知塔式起重机发生的最大应变在最大在臂尖处，与实际情况是相互吻合的。最大位移处始终在臂尖处，且钢丝绳与上弦杆连接处为最大的变化率处，因而此处不仅需要很高的强度，也需要更好的韧性。

2 塔机的模态分析

在有限分析软件ANSYS中，有限元分析程序一共提供了7种模态分析方法。对于多自由度系统，分块Lanczos算法有求解精度好、计算效率高的特点，所以在塔式起重机有限元模型的模态分析过程中，采用分块Lanczos法进行具体求解。

可得到ANSYS前五阶频率：0.25096 E-3、0.57063 E-3、0.63343 E-3、0.16190 E-2、0.19324E-2.

对应于5阶模态的塔身起重臂的振动变形分别为：第1阶振型为起重臂左右摆动，第2阶振型为起重臂上翘，第3阶振型为起重臂和平衡臂左右摆动，第4阶振型为起重臂上翘，第5阶振型为起重臂扭转。

3 结语

通过以上分析，可得到如下结论：QTZ25塔式起重机在运行过程中：

（1）最危险的工况一般比较靠近臂尖；

（2）塔机工作时上弦杆会受到比较大的应力；

（3）最大位移处始终在臂尖处，且钢丝绳与上弦杆连接处为最大的变化率处，设计时应该加以注意；

（4）根据各阶振型图可知，塔式起重机的各阶共振频率均较低且相差不大，在使用过程中要注意避免吊绳的摆动和载荷的施加与释放等低频源激扰。

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