塔式起重机承座环梁的结构分析

姚俊威，张 骞，赵小伟，石小飞，曾 光

(华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450046)

0 引言

塔式起重机可实现起升、变幅、回转等动作。回转动作借助回转轴承实现，回转轴承上端连接机台，下端连接承座[1]。承座环梁部分的计算很难通过手算来完成，本文借助于三维软件Creo建立模型，导入ANSYS/Workbench进行分析，能很好地解决承座环梁的结构计算问题[2]。

1 承座环梁的工作原理

承座环梁上端通过回转轴承与机台连接，下端通过4个支腿与塔身连接。塔机在回转工况时，承座及其以下部件不动，通过回转轴承转动来带动上部的机台转动，机台上部的其他部件随之转动，从而完成回转动作。承座环梁的主、俯视图如图1所示。

图1 承座环梁主、俯视图

2 载荷分析

承座主要承受上部传来的重力、不平衡力矩及塔机作业时产生的扭矩。重力是上部结构自身及吊重的重量；不平衡力矩主要是起重臂和平衡臂对下部产生的力矩不同所致；扭矩主要源自于塔机的回转作业。承座环梁受力如图2所示。图2中，N为向上拉力，M为弯矩，Fx为向下压力，T为扭矩。

3 有限元分析

3.1 建立模型

借助于三维软件Creo按照1∶1尺寸建立承座环梁模型，如图3所示。

3.2 划分网格

由于Creo和软件ANSYS/Workbench可实现无缝连接，因此本文将承座环梁的三维模型导入ANSYS/Workbench中划分网格，网格划分如图4所示。

图2 承座环梁受力示意图

图3承座环梁三维模型图4承座环梁划分网格

3.3 施加约束

此处对承座环梁上部钢板施加约束，约束全部六个自由度，如图5所示。

现以某塔机为例，承座环梁以上部分重量为560 000 kg，弯矩28 500 000 Nm，扭矩1 650 000 Nm，材料选Q345。对模型施加载荷，将弯矩和扭矩转化成等效力偶，转化得到的载荷施加于承座环梁的各个耳孔上。承座环梁施加载荷如图6所示。

4 结果分析

计算得到承座环梁的应力视图、总体应力视图及危险部位局部应力视图如图7～图10所示。

从图7中可以看出，最大应力出现在环梁上端的筋板与上部钢板连接处，该点局部最大应力为317.16 MPa，超过Q345许用应力257 MPa，未超过屈服极限345 MPa。通过图8可以看出此点应力很大，附近区域的应力急剧减小，此为应力集中现象。

图5承座环梁施加约束图6施加载荷

图7 承座环梁整体等效应力图

图8 等效应力最大处的局部应力分布

从图9可以看出，该区域最大应力为228.66 MPa，小于Q345的许用应力257 MPa；从图10可以看出，此区域最大应力为263.52 MPa，大于Q345的许用应力257 MPa，未超过屈服极限345 MPa，该区域局部最大应力点附近区域应力也急剧减小，说明此处也出现了应力集中现象。

该型塔式起重机已投入使用4年，运行情况良好，承座所有部分的应力均在合理范围内，说明极小区域内的应力集中情况并未对结构产生不良影响。

图9 耳板上端附近区域的局部应力分布

图10 耳板下端附近区域的应力分布

5 结论

(1) 分析了塔式起重机承座环梁的工作原理及载荷。

(2) 根据塔式起重机承座环梁的工作特点和受力特点，设计出受力合理、外形美观的承座环梁。

(3) 结合塔式起重机承座环梁的受力特点，运用Creo建立模型，借助于有限元分析软件ANSYS/Workbench进行计算，为承座环梁的结构分析提供了一种方法。