QTZ63塔式起重机强度分析与整机抗倾覆稳定性分析

闫嘉琪，沈晓斌，李　蕊

(天津冶金职业技术学院，天津　300400)



QTZ63塔式起重机强度分析与整机抗倾覆稳定性分析

闫嘉琪，沈晓斌，李蕊

(天津冶金职业技术学院，天津300400)

通过QTZ63塔式起重机的工程实例，运用有限元软件建立了塔式起重机的有限元模型，对其强度进行了分析，研究了三种工况下塔机的应力和应变分布情况，同时在设计塔式起重机基础时，对整机的抗倾覆稳定性进行了计算。

ANSYS；塔式起重机；强度分析；稳定性分析

一、引言

随着建筑施工的集成化，高重塔机随之产生，塔式起重机作为典型的起重机械，被广泛应用于建筑施工和工业起重中。塔式起重机也叫塔机或塔吊，它具有工作效率高、回转半径大、起升高度大、操作方便以及结构模块化便于安装、拆卸及运输等特点。

塔式起重机的强度和刚度直接决定了在施工过程中的安全性和可靠性，塔式起重机整机的倾覆更可能带来机毁人亡的代价，给用户带来巨大的经济损失和人身伤害。塔式起重机稳定性是指塔式起重机在自重和外载荷的作用下抵抗倾倒的能力。基础的倾覆必定导致塔机的倾覆，基础的倾斜必然加大基础倾覆的可能性。现今，塔式起重机最大的安全事故发生在顶升的时候和整机的倾覆稳定性。分析研究独立式塔吊基础的抗倾覆稳定性具有实际的工程价值和意义。

通过QTZ63塔式起重机的工程实例，运用有限元软件ANSYS建立了塔式起重机的有限元模型，对其强度进行了分析，研究了三种工况下塔机的应力和应变分布情况，同时在设计塔式起重机基础时对整机的抗倾覆稳定性进行了计算。

二、有限元分析

有限元分析是利用数学近似的方法对真实的物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。结构分析的有限元方法是由一批学术界和工业界的研究者在20世纪50年代到60年代创立的。

ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC到工作站直到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解。

ANSYS分析过程中包含三个主要的步骤：创建有限元模型(创建或读入几何模型、定义材料属性、划分网格)；施加载荷并求解(施加载荷及载荷选项、设定约束条件、求解)；查看结果(查看分析结果、检验分析结果是否正确)。本文通过QTZ63塔式起重机的工程实例，具体分析过程如下。

(一)已知QTZ63塔式起重机参数

已知塔机的工作高度为40.5m，臂长为50m，标节尺寸为1.6×1.6×2.5m，最大额定起重量6t。

(二)有限元模型的建立

为了使模型更加合理，应该综合考虑从以下几个方面来建立塔机的有限元模型：

第一，模型应能够全面、准确地反应塔机的结构；

第二，模型的受力情况应与实际塔机的工作情况相符合；

第三，模型边界处理应与塔机实际的工作情况相符合。

基于以上原则，对塔机模型进行简化。

1.回转部分的简化

由于回转部分相对于塔机整体结构而言，其几何尺寸小，刚度大，质量集中，且实体部分相对于稳定，在进行整体结构强度分析时，可将回转部分采用质量单元进行等效处理。

2.塔机其他附件的简化

电机等其他塔机附件相对于塔机整体结构而言，集合尺寸小，质量集中，对塔机的整体强度影响不大，将塔机上的其他附件采用质量单元进行等效处理；变幅钢丝绳分布均匀，可通过改变相应杆件的密度来添加其质量；变幅小车，吊钩与吊重同时作用在起重臂上，可与吊重一起作为起升载荷处理。

(三)单元类型选择

在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定合适具体分析的单元类型。

本模型中主要采用BEAM189梁单元来模拟塔身和吊臂，link10单元分别模拟拉杆，mass20模型质量单元，只考虑受拉，不考虑受压。根据上述假设条件，对塔式起重机进行简化，简化模型如图1所示。

图1　塔式起重机简化模型

(四)确定边界条件

根据上述假设条件，对塔式起重机进行简化，认为塔机基座部分能承受弯扭载荷，考虑成为固定支座，即ALL DOF=0，塔机所受载荷有自重载荷、起升载荷(包括吊重和索具的重量)、风载荷以及回转惯性载荷等组成。本文主要研究塔机在工作状态、静态无风条件下的强度情况，因此，载荷只有自重载荷和起升载荷。自重载荷中起重臂、塔身、平衡臂等定义密度即可，而回转部分、配重、压重需要用mass质量单元和材料密度来确定进行调整整机质量，与实际重量相符合。

三、塔式起重机强度计算

(一)工况计算

主要研究了塔机在工作状态、静态无风条件下进行的强度分析。根据塔机起升特性和实际使用情况，选择了三个比较典型的工况位置进行强度分析，如表1所示。

表1　不同工况位置的强度分析

(二)不同工况下塔机强度分析

三种不同工况下塔机应力图如图2—图4所示，

图2　吊重处于50m处塔机应力

图3　吊重处于38m处塔机应力

图4　吊重处于14.5m处塔机应力

从图2 可以看出，吊重在50m处时最大等效应力为195MPa，最大应力发生在吊臂根部；从图3中可以看出，吊重在38m处时最大等效应力为215MPa，最大应力发生在吊臂根部；从图4中可以看出，吊重在14.5m处时最大等效应力为204MPa，最大应力发生在吊臂根部。

从以上计算结果可以看出，在三种工况下，其结构的最大应力均发生在吊臂的根部，其最大应力均小于钢材所用的屈服强度，所以钢材的强度满足条件，但是吊重在38m处的时候，其最大等效应力为215MPa，与钢材安全级数下的的屈服极限345/1.5=230MPa相接近，因此应对此处进行加强。

四、抗倾覆稳定性计算

根据FEM标准《欧洲起重机械设计规范》的要求，塔式起重机抗倾翻稳定性的计算主要包括塔机静态稳定性、动态稳定性、突然卸载稳定性等工作状态和暴风侵袭稳定性以及安装架设稳定性非工作状态进行计算。

(一)工作状态、静态无风抗倾覆稳定性计算

小车位于吊臂50m处(吊臂最远端)起吊额定载荷重量为1.3t，不考虑附加载荷和坡度的影响。

吊臂对倾覆边缘的力矩：Md=(27.285-4.5)×41.5=945.5775KN·m

平衡臂对倾覆边缘的力矩：Mp=(6.3889+4.5)×19.70=214.51133KN·m

配重对倾覆边缘的力矩：Mz=(11.315+4.5)×143=2261.545KN·m

塔身及其余部分对倾覆边缘的力矩：Mq=(24857.8+11618.8+46.33)×4.5×10-2=1638

混凝土基础对倾覆边缘的力矩：Mh=9×415/2=1867.5KN·m

稳定力矩代数和为：

∑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

根据FEM标准《欧洲起重机械设计规范》的要求：该工况KG取1.0，Kp取1.6。

所以在工作状态、静态、无风的条件下，塔机的整体稳定性满足要求。

(二)工作状态、动态、有风

小车位于吊臂60m处(吊臂最远端)起吊额定载重量1.3t，稳定回转，风作用在臂架平面，该工况对应的风压为250N/m2。

稳定力矩代数和为：

∑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

根据FEM标准《欧洲起重机械设计规范》的要求：该工况KG取1.0，Kp取1.35。

所以在工作状态、动态、有风的条件下，塔机的整体稳定性满足要求。

(三)突然卸载

此时突然卸载或吊具脱落，工作状态下的最大风力由前向后吹，该工况对应的风压为250 N/m2。

稳定力矩代数和为：

∑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

根据FEM标准《欧洲起重机械设计规范》的要求：该工况KG取1.0，Kp取0.2。

所以在突然卸载的条件下，塔机的整体稳定性满足要求。

(四)暴风侵袭

此工作状态下回转机构制动松开，风由后向前吹，对应的风压为1100 N/m2。

稳定力矩代数和为：

∑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

根据FEM标准《欧洲起重机械设计规范》的要求：该工况KG取1.0。

所以在暴风侵袭的条件下，塔机的整体稳定性满足要求。

(五)安装架设(拆卸)稳定性

1.安装平衡臂

假设此时风向为从吊臂吹向平衡臂，风力大小为工作状态风压，该工况对应的风压为250 N/m2。

稳定力矩代数和为：

∑M=Mt+Mh+Ms-MW-Mp

=1867.5+832.56-214.51133-275.6-27.764×30=1377.02>0

所以在安装平衡臂下，塔机的整体稳定性满足要求。

2.安装起重臂

假设此时风向为从平衡臂吹向吊臂，风力大小为工作状态风压，该工况对应的风压为250 N/m2。

稳定力矩代数和为：

∑M=Mt+Mh+Ms+Mp-MW1-MW2-Md

=832.56+214.51133+1867.5-1096.86-27.764×30=984.79>0

所以在安装起重臂下，塔机的整体稳定性满足要求。

3.安装平衡臂配重

假设此时风向为从吊臂吹向平衡臂，风力大小为工作状态风压，该工况对应的风压为250 N/m2。

稳定力矩代数和为：

∑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

所以在安装平衡臂配重下，塔机的整体稳定性满足要求。

五、结论

以QTZ63塔式起重机为工程实例模型，运用ANSYS软件建立了塔式起重机的有限元模型，对其强度进行了分析，研究了三种工况下塔机的应力和应变分布情况，在设计塔式起重机基础的同时，对整机的抗倾覆稳定性进行了计算[5]。得出结论如下：

其一，在三种不同工况下，塔机结构的最大应力均发生在吊臂根部，其最大应力均小于钢材的屈服强度，满足强度要求，但与安全系数下的屈服强度相接近，为保证安全性，需要进行加强。

其二，塔机静态稳定性、动态稳定性、突然卸载稳定性等工作状态和暴风侵袭稳定性以及安装架设稳定性非工作状态整机倾覆稳定性，均满足FEM标准《欧洲起重机械设计规范》的要求。

[1]庞洪臣，廖红宜，杨杰华，刘文光.联合收割机变速器齿轮接触分析[J].中国农机化学报,2013,(03).

[2]陈远权,高健.基于ANSYS/LS-DYNA的叶片加工变形分析研究[J].机械设计与制造,2010,(10).

[3]金玉萍.QTZ63塔式起重机有限元分析[J].浙江工业大学学报,2010,(06).

[4]王武奇.QTZ630型塔式起重机结构有限元分析及地震影响研究[D].长安大学,2009.

[5]冯强.基于平头塔式起重机起重臂动态性能的多目标优化[D].西安交通大学,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

闫嘉琪(1959-)，男，天津市人，天津冶金职业技术学院副教授，主要从事机械设计及理论，液压与气压传动专业的教学与研究工作；沈晓斌(1983-)，女，天津冶金职业技术学院副教授，主要从事高职院校机械设计专业的教学与研究工作；李蕊(1983-)，女，天津冶金职业技术学院讲师，主要从事机电一体化专业教学与研究工作。

TH213.3

A

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