摘 要:以某型塔機(jī)結(jié)構(gòu)變形分析為基礎(chǔ)，研究塔身、上下支座、起重臂等的變形對(duì)起重臂臂尖撓度的貢獻(xiàn)量，并以此為指導(dǎo)提出降低起重臂臂尖撓度的措施。

　　關(guān)鍵詞：撓度、貢獻(xiàn)量

　　1 研究的目的、內(nèi)容和意義

　塔機(jī)工作過程中起重臂臂尖撓度過大，會(huì)影響牽引小車工作性能，因此在塔機(jī)設(shè)計(jì)中，必須合理控制塔機(jī)各部分的剛度，使起重臂臂尖撓度在一定的范圍內(nèi)；但是由于起重臂臂尖撓度是塔機(jī)整機(jī)變形的綜合結(jié)果，而塔機(jī)各部分結(jié)構(gòu)形狀和連接形式很復(fù)雜，所受載荷也很復(fù)雜，不可能進(jìn)行手工分析和計(jì)算。本項(xiàng)目利用I- DEAS軟件為研究平臺(tái)，以公司已立塔的某型試驗(yàn)塔機(jī)靜力結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，建立了塔機(jī)整機(jī)有限元模型，對(duì)該塔式起重機(jī)起重臂臂尖撓度進(jìn)行了計(jì)算，研究上、下支座變形、塔身變形以及起重臂變形對(duì)起重臂臂尖撓度的貢獻(xiàn)量，并從實(shí)驗(yàn)上對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，分析了影響起重臂臂尖撓度的各個(gè)主要因素，提出了控制起重臂臂尖撓度的措施。

2.  建立塔機(jī)的有限元模型

　　(1)  物理模型的組成

　    為了便于建立試驗(yàn)塔機(jī)的有限元模型，將其物理模型簡化為主要由：起重臂、塔頂、平衡臂、起重臂拉桿、平衡臂拉桿、回轉(zhuǎn)塔身、上支座和下支座、以及塔身（包括8個(gè)塔身節(jié)）組成，該型塔機(jī)塔身節(jié)有三種，設(shè)代號(hào)分別為A、B和C，A型為加強(qiáng)塔身節(jié)弦桿規(guī)格為□135×135×12，內(nèi)加16mm加強(qiáng)板，B型塔身節(jié)弦桿規(guī)格為□135×135×12，C型塔身節(jié)弦桿規(guī)格為□135×1355×10，該塔機(jī)塔身節(jié)由B和C兩種型號(hào)組成，由下至上布置形式為4 (B) 3(C) 1(B)；而由于其它機(jī)構(gòu)的變形對(duì)起重臂臂尖撓度的貢獻(xiàn)量很小，所以不予考慮。

　　(2)  模型的網(wǎng)格劃分

　　由于塔機(jī)整機(jī)部件較多，各部分結(jié)構(gòu)也相差較大，為了便于有限元模型網(wǎng)格的劃分和模型的修改，這里采用裝配有限元的方法來建立塔機(jī)整機(jī)有限元模型。

　塔機(jī)結(jié)構(gòu)絕大部分為桿系結(jié)構(gòu)，可選桿單元和梁單元。腹桿用桿單元也更適合手工計(jì)算的習(xí)慣，因此塔機(jī)的桿系結(jié)構(gòu)采用梁－桿混合單元模型，即主弦桿－梁單元，腹桿－桿單元。如起重臂、塔頂、回轉(zhuǎn)塔身和塔身節(jié)均采用梁－桿混合單元模型，平衡臂拉桿和起重臂拉桿，每根拉桿用一個(gè)桿單元表示，而平衡臂的變形對(duì)起重臂臂尖撓度的影響很小，因此把其簡化為剛性桿單元。

　　上、下支座是典型的薄板結(jié)構(gòu)，因此把上、下支座劃分為殼單元。對(duì)各部件的有限元單元之間進(jìn)行連接，上支座和下支座之間采用剛性單元進(jìn)行連接，而對(duì)不同類型單元之間，則采用剛性單元進(jìn)行連接；對(duì)起重臂臂根和平衡臂臂根的梁單元進(jìn)行端點(diǎn)釋放；并調(diào)整殼單元的法向；最后進(jìn)行單元質(zhì)量檢查。生成塔機(jī)整機(jī)有限元網(wǎng)格，見圖1。

　　(3)  邊界條件

　 本項(xiàng)目的邊界條件的定義是基于有限單元的，它包括約束集和載荷集。

　　(1)約束集
　　把最下面塔身節(jié)的4個(gè)主弦下端固支。

　　(2)載荷集
　本項(xiàng)目是研究塔機(jī)在吊重的靜力作用下起重臂臂尖的撓度，因此必須計(jì)算塔機(jī)在不吊重、吊重兩種載荷集下的變形位置，再從塔機(jī)的這兩種變形位置求得塔機(jī)在吊重作用下的變形量。塔機(jī)在這兩種載荷集下均不考慮風(fēng)載、動(dòng)載系數(shù)和各種慣性力的影響，這里的載荷就只考慮自重和吊重的作用，對(duì)于起重臂、塔頂、平衡臂、起重臂拉桿、平衡臂拉桿、回轉(zhuǎn)塔身、上支座和下支座、以及塔身的自重用重力加速度加載在各個(gè)單元上；而對(duì)其它機(jī)構(gòu)的重量則簡化為集中載荷作用在物理模型的相應(yīng)位置生成塔機(jī)有限元模型見圖1。

　　不吊重(LOAD SET1)：指塔機(jī)上的小車置于臂尖處，吊重為零。

　　吊重(LOAD SET2)：指塔機(jī)上的小車在臂尖處吊重1.3t，其它載荷與不吊重相同。

　　參考坐標(biāo)系定義為：X軸沿起重臂方向向右，且與起重臂下弦桿上表面重合，Z軸沿塔身豎直向上，坐標(biāo)原點(diǎn)位于塔身的中心線上。

3.  計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果分析

　　對(duì)以上塔機(jī)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到整個(gè)塔機(jī)起重臂臂尖垂直撓度和塔機(jī)各部分對(duì)起重臂臂尖垂直撓度的貢獻(xiàn)量（表2）。在相同的條件下對(duì)塔機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，運(yùn)用經(jīng)緯儀測(cè)得起重臂臂尖撓度、和塔機(jī)各部分的撓度貢獻(xiàn)量的的結(jié)果如表2所示，計(jì)算和測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差在9%以內(nèi)，基本一致，證明以上有限元模型及其計(jì)算方法是正確的。計(jì)算和測(cè)試結(jié)果表明（表2）：該塔機(jī)在小車在臂尖處吊重時(shí)，起重臂臂尖垂直撓度達(dá)到783~800mm，主要是由塔機(jī)上車和塔身貢獻(xiàn)的，其中塔機(jī)上車貢獻(xiàn)量為350mm以上，所占權(quán)重超過40%，計(jì)算進(jìn)一步表明：其中塔頂?shù)呢暙I(xiàn)量為177mm，權(quán)重為22.6%，起重臂及起重臂拉桿的貢獻(xiàn)量為174mm，權(quán)重占22.2%；塔身貢獻(xiàn)量為318~346mm，權(quán)重也超過了40%；而回轉(zhuǎn)塔身和上、下支座對(duì)起重臂臂尖垂直撓度的貢獻(xiàn)量相對(duì)較小,分別只有48和66mm，權(quán)重分別也只占6.2%和8.4%，即使這三部分的貢獻(xiàn)量之和也只有104~112mm，權(quán)重也只占14%左右,遠(yuǎn)小于塔機(jī)上車和塔身的貢獻(xiàn)量和權(quán)重。

　　經(jīng)過以上計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論：

　　(1)運(yùn)用以上有限元的方法對(duì)塔機(jī)起重臂臂尖垂直撓度和各部分的撓度貢獻(xiàn)量進(jìn)行計(jì)算和分析的方法是正確的、可行的。

　 (2)該試驗(yàn)塔機(jī)的小車在臂尖處吊重時(shí)，臂尖垂直撓度達(dá)到783mm，塔身貢獻(xiàn)量318mm，權(quán)重占40.6%，是影響起重臂臂尖垂直撓度最主要的因素；其次是塔頂和起重臂及起重臂拉桿，貢獻(xiàn)量分別為177和174 mm，權(quán)重分別占22.6%和22.2%；影響最小的是上、下支座和回轉(zhuǎn)塔身，貢獻(xiàn)量分別為66和48mm，權(quán)重分別只占8.4%和6.2%；且起重臂臂尖撓度H與塔身節(jié)的數(shù)量存在以下近似的線性關(guān)系：
　　H=465 26.2NA 38NB 43NC
　　其中NA、NB、NC為相應(yīng)型號(hào)塔身節(jié)的數(shù)量，NA NB NC≤16

　　降低起重臂臂尖垂直撓度的主要措施是要加強(qiáng)塔身的剛度，另外加強(qiáng)塔頂?shù)膭偠纫材茌^有效的降低起重臂臂尖垂直撓度。