自升动臂式塔式起重机顶升套架的结构分析

张骞，胡婷，曾光，赵小伟，姚俊威

(郑州科润机电工程有限公司，郑州 450015)

0 引言

动臂式塔式起重机的顶升结构由顶升套架、顶升液压油缸、滑块(有的采用滚轮)和塔身标准节组成，其主要作用是通过增加塔身的标准节，以实现塔式起重机的自升。塔式起重机的顶升方式主要分为中间顶升和外侧顶升2种。在顶升状态时，中间顶升由于不好调节塔顶产生的不平衡弯矩，因此，大多用于中小吨位的塔式起重机。外侧顶升时，不平衡弯矩主要作用在油缸的中心线或者标准节主弦杆的中心线上，外侧顶升不仅可以一次引入一个标准节，而且容易调节塔顶的不平衡弯矩，目前大吨位的塔式起重机主要采用这种顶升工艺。本文主要分析外侧顶升的套架结构。

由于顶升过程中承座与塔身的连接要放开，只有外侧的顶升油缸支撑塔身上部的所有重量，套架上的受压滑块与标准节紧密接触，防止塔式起重机上部倾覆，任何不确定的因素都会对塔式起重机顶升造成重大的影响。通过对塔式起重机事故的统计分析，顶升过程中的事故占据相当大的比例，因此，对顶升结构进行分析研究有重要意义。

1 顶升套架的结构和受力特点

1.1 顶升套架的结构特点

顶升套架的结构如图1所示。顶升过程中，套架的上部与承座连接(主要有法兰螺栓拼接和销轴连接)，塔式起重机上部结构的载荷通过承座传给套架。相对于刚度很大的承座而言，套架自身的框架刚度不大，所以，合理布置套架结构中的腹杆，对增大套架本身的刚度有重要影响。

图1 顶升套架的结构

顶升过程结束时，需要从套架的侧面引入标准节，套架结构在引入标准节这个侧面范围内不能布置腹杆，缺少腹杆支撑的套架结构，其自身框架的抗扭刚度和强度都会有所下降。同时，对于重型塔式起重机而言，标准节本身的重量很大，会对套架结构产生一个附加弯矩。

1.2 顶升套架的受力特点

顶升过程中，套架是主要的受力结构。为了平衡上部结构重量产生的不平衡弯矩，在顶升作业前要调整上部结构的重心，使其作用在油缸的中心线上。由于调整重心的平衡只是相对的，要让重心理想地作用在油缸的中心线上存在很多的不确定因素。例如风载荷，当风向平行于起重臂时，风载荷主要以水平方向的载荷作用在套架结构上；当风向垂直于起重臂时，风载荷会对塔身的中心产生一个扭转载荷，而且风载荷的方向、大小是随时变化的。当在一定的高度进行顶升作业时，还要考虑风振对套架结构的影响。这些不平衡载荷由套架结构与标准节之间的上下2组滑块来承受。

固定在套架上的滑块只能承受压力，不能承受拉力，而且套架上部载荷的变化会使有些滑块受力而压在塔身标准节上，从而使有些滑块与标准节脱离。滑块受力的不确定性，导致套架结构受力情况的不同。

图2 顶升套架载荷受力简图

2 顶升套架的力学模型

顶升套架结构承受的载荷可以简化为竖向力FN、不平衡弯矩M和水平力FH。套架结构的计算采用叠加法，其简化受力情况如图2所示。

2.1 竖向力FN作用下的套架结构分析

竖向力FN主要由起重臂、平衡臂、平衡重、机台、承座和待引入的标准节重量引起。另外，在进行顶升时，滑块对套架结构将产生摩擦力，可近似按套架结构上部自重的10%计算。由图3可知，竖向力与油缸的推力汇交于套架下部某一点，由力系平衡原理可知，油缸的推力为

FT=0.5FN/cosφ。

(1)

图3 垂直载荷作用下套架的受力简图

2.2 水平力FH作用下的套架结构分析

水平力FH主要是风载荷引起的，在这种工况下，取风向垂直于臂架方向。风载荷的计算参考GB/T 3811—2008《起重机设计规范》。在风载荷的作用下，对套架的中心产生一个扭矩Tn。套架结构作为一个空间桁架结构，在水平力FH和扭矩Tn的作用下，把套架的空间结构转化为平面桁架结构，即把水平力FH和扭矩Tn分解到套架的4个平面桁架结构中，然后将属于不同平面桁架的杆件内力叠加。水平力和扭矩的分解如图4所示。

2.3 弯矩M作用下的套架结构分析

弯矩M主要由竖向力FN引起，顶升状态工作时，套架上部结构自重载荷的重心作用在油缸中心线的平面内，竖向力相对套架结构中心的偏心距离为e，当引入标准节时，标准节的自重载荷(Fz)相对套架结构中心的距离为l，不平衡弯矩为这2部分载荷引起的弯矩的叠加，则

M=FNe+Fzl。

(2)

3 顶升套架的结构分析

3.1 套架结构分析时的问题和工况

顶升作业时，套架上的滑块起导向和平衡不平衡弯矩的作用，只有当滑块和标准节相接触时才能受力，因此，滑块只能承受压力而不能承受拉力。在运用ANSYS软件分析时，采用LINK10单元定义滑块的受力单元，即将滑块单元定义成只受压力的单元。在计算后分析结果，凡是受压的滑块单元给予保留，受拉的单元予以删除，再进行计算并分析结果。由于受拉滑块单元的删除，会使原先一些受压的单元转变为受拉的单元，再删除受拉的滑块单元进行计算，经过反复计算后，结果趋于稳定。

图4 水平力和扭矩的分解示意图

竖向力和引进标准节时引起的不平衡弯矩靠套架与塔身之间的滑块支承，套架和塔身标准节的结构刚度会对滑块的受力造成影响，在分析套架结构时，塔身与滑块相接触部位的支承刚度没有确定，可以采用套架与塔身结构形成共同的有限元模型加以求解(即建立有限元模型时，用LINK10单元划分的滑块单元应与塔身单元相接触，若两者之间有间隙，有限元计算的结果将不真实)。在实际顶升开始之前，滑块与塔身之间有一定的间隙，这个间隙可以人为调整，应尽量使滑块靠近塔身。

在上述载荷的作用下，根据顶升作业的过程，在分析套架结构时要考虑3个工况。工况1：油缸下部与塔身连接，油缸开始顶升，油缸的行程最短，套架结构与油缸铅垂线的夹角最大。工况2：油缸的行程达到最大，套架顶升到最高位置，套架结构与油缸铅垂线的夹角最小。工况3：油缸顶升套架到最高位置后，套架通过油缸上部的爬爪与塔身的踏步板相连接，液压杆开始收缩，准备下一次顶升。本文以工况2为例对套架结构进行分析。

3.2 套架结构的有限元分析

某火电建设用塔式起重机，为动臂式臂架、外套架顶升的塔式起重机。采用双油缸顶升，油缸布置在套架的左右两侧，在套架上布置上下2层滑块，由于塔身的主弦采用H型钢，因此在与塔身连接的地方布置3个滑块。套架结构的材料为Q345B。

在顶升开始前，调整上部结构的重心，使其重心作用在两侧油缸中心线形成的铅垂面内，此时塔式起重机上部的不平衡弯矩最小。在工况2下，套架顶部载荷为：竖向力4 400 kN，不平衡弯矩12 000 kN·m，水平力50 kN(包括风载荷)。套架结构各杆件采用beam188单元划分，有限元模型如图5所示。

图5 套架有限元模型

3.3 分析结果评价

经过有限元计算，按照第四强度理论合成的应力如图6所示。由图6可以看出，最大应力在油缸上部的杆件与油缸的交接处，当油缸顶升时，油缸的大部分顶升推力通过此处的杆件传递给套架的弦杆，因此杆件的轴向力较大。由于节点有偏心，因此附加弯矩也大。最大杆件的复合应力满足材料Q345B的许用应力(按载荷组合B，材料的许用应力为257 MPa)，但此杆件为一受压构件，杆件的稳定性计算应力为261 MPa，超过材料的许用应力。若增大杆件的规格，受此处的空间限制，焊缝的质量等级要求较高。考虑到此处结构的重要性，把油缸上部的位置用钢板封了起来，用箱型结构代替了杆件结构，极大地改善了此处结构的受力。

图6 项升套架的合成应力图

4 结束语

本文分析了自升动臂式塔机套架结构的特点和受力情况，选取套架结构受力的最大工况，结合有限元软件ANSYS对某火电厂的塔机套架结构进行计算。由计算结果可知，在套架顶升作业时，顶升油缸和套架连接处受力较大，设计套架结构时应对此进行局部加强处理。塔机套架结构受力比较复杂，人工计算难度较大且容易出错，借助有限元软件可以快速、准确地计算套架结构的受力，为以后此类型塔机的套架结构设计提供了一种很好的设计方法。

参考文献：

[1]张质文，虞和谦.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[2]张朋，王凯晖.塔式起重机顶升套架的结构分析[J].建筑机械，2009(11):61-63.

[3]牛坤，陆念力，兰朋.动臂式塔式起重机顶升结构的系统建模与计算分析[J].建筑机械化，2010(10)：41-43.

[4]郑惠强.自升式塔式起重机顶升套架的计算方法[J].建筑机械化，1992(3):13-14.

[5]赵伟民，郭峰，李瑰贤.基于有限元新方法的塔式起重机顶升结构分析[J].建筑机械，2006(1):66-67.

[6]姚金柯，陈松明，屠凤莲.D800塔式起重机爬升套架的结构设计[J].建筑机械，2009(12):84-85.

[7]徐格宁.机械装备金属结构设计[M].北京:机械工业出版社，2009.

[8]牛坤.自升式塔机顶升结构系统建模方法及有限元计算分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[9]孟亚.基于ANSYS的塔式起重机静动态特性分析[D].长沙：中南林业科技大学，2008.

[10]曹红波.塔式起重机平衡臂结构分析[J].建筑机械，2006(1)：61-62.

[11]王正勇，程文明，孙继忠，等.塔式起重机结构有限元分析技术研究[J].工程机械，2009，40(8)：40-43.

[12]姚克恒，殷晨波.以ANSYS为平台的塔式起重机臂架有限元分析与关键技术研究[J].现代制造工程，2009(12)：47-51.

[13]王仿，高顶.塔式起重机整体结构的有限元分析[J].煤矿机械，2009，30(2):96-97.