【正文】 ....................................... 21 計(jì)算結(jié)果討論 ........................................................ 28 塔機(jī)模態(tài)分析 ....................................................... 29 5 起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ...........................................33 起升機(jī)構(gòu)的組成布置方式 .............................................. 33 起升機(jī)構(gòu)的計(jì)算 ...................................................... 34 總 結(jié) ....................................................41 謝 辭 ....................................................42 參考文獻(xiàn) ..................................................43 1 II 摘 要 塔機(jī)在我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，發(fā)揮著越來越重要的作用。設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到塔機(jī)的性能和成本，關(guān)系一個(gè)企業(yè)的生存 與 發(fā)展。 本文對 QTZ80 塔式起重機(jī)起重臂的截面形式，起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)以及起升機(jī)構(gòu)的各種性能和參數(shù)做出了詳細(xì)說明。 關(guān)鍵詞： 三維造型 ； 起重臂 ； 起升機(jī)構(gòu) ； 有限元 ； 動(dòng)力特性 1 III Abstract Tower crane in China39。 boom。finite element。塔機(jī)安裝、使用、拆除的任何一個(gè)環(huán)節(jié)上有問題都可能造成事故。截至 06 年上半年三峽工程就有 100 多建設(shè)者獻(xiàn)出了寶貴的生命， [2]北京建筑土程學(xué)院的王凱輝等幾名老師對北京地區(qū)的塔式起重機(jī)安全事故進(jìn)行了調(diào)查 [3]，得出安全事故比例構(gòu)成為 :塔身折斷或受傷占 %起重臂折斷或受傷占 %平衡臂折斷或受傷占 %，其他占 % 。在幾起該類事故中， [4]均看到了臂 架腹桿斷面有銹蝕的舊痕，表明原內(nèi)部存在有裂縫，從折斷腹桿取樣發(fā)現(xiàn)，焊縫脫開的腹桿失去承載能力之后，在起吊載荷作用下，引起吊臂各桿件內(nèi)力重新分布致使受壓的腹桿因超載而失穩(wěn)，這些腹桿失穩(wěn)彎折后，起重臂截面高度減小，使該段吊臂失去承載能力而折曲。而起重臂設(shè)計(jì)不合理這項(xiàng)原因所占比例最大。據(jù)調(diào)查了解 .塔機(jī)臂架下弦桿連接銷掉出或造成折臂事故 [8]的現(xiàn)象比較普遍并且事故部位多在起重臂兩拉桿之間。也是造成塔式起重機(jī)事故的主要原因。 鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)合理的條件下，突發(fā)的惡劣天氣也會(huì)對鋼結(jié)構(gòu)造成比較嚴(yán)重的影響。 工程起重機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 塔式起重機(jī)簡稱塔機(jī)， 發(fā)明于 20世紀(jì)之初的歐洲。 我國于 20 世紀(jì) 50年代從蘇聯(lián)和及歐一些國家引進(jìn)了塔式起重機(jī)， 它 具有工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸比較簡便等特點(diǎn) ， 塔機(jī)作為建筑工地上的主要機(jī)械，在施工中起著關(guān)鍵作用， 特別是改革開放以來， 塔式 起重機(jī)在 建筑場合 的應(yīng)用更加廣泛。在 塔式 起重機(jī)的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，仍采用 傳統(tǒng) 的許用應(yīng)力計(jì)算法 。因此按 許用應(yīng)力法 設(shè)計(jì)的起重機(jī)結(jié)構(gòu)，或多消耗金屬材料，或安全程度較低。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 人們對于 塔式 起重機(jī)性能要求越來越高，不僅要求起重機(jī)重量輕、剛性好、作業(yè)空間大，而且要求起重機(jī)小車和大車的運(yùn)行速度高，作業(yè)效率高等要求 ，更重要的是要求塔機(jī)的人性化和智能化 。隨著起重機(jī)大型化，小車和大車等機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度加快， 塔式 起重機(jī)的 安全問題變得 越來越明顯， 起重機(jī)的 安全 問題現(xiàn)已成為企業(yè)和高校關(guān)心的熱點(diǎn)問題。塔機(jī)的三大傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，特別是起升機(jī)構(gòu)工作性能的優(yōu)劣，是衡量塔機(jī)技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。 它的發(fā)展和 進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。這就需要在正確的確定塔機(jī)起重臂的截面和評估起升機(jī)構(gòu)的零部件的疲勞壽命的前提下，進(jìn)行正確的有限元建模進(jìn)而得到較為精確的塔機(jī)的動(dòng)力特性，從而為施工現(xiàn)場的操作制定一個(gè)正確的有科學(xué)依據(jù)的操作規(guī)程，進(jìn)而在提高塔機(jī)的使用壽命的同時(shí)減少以至避免事故的發(fā)生。因此，結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析是塔機(jī) 設(shè)計(jì)開發(fā)中一項(xiàng)極為重要的工作。當(dāng)前國內(nèi)外涌現(xiàn)出了諸如 SAP84， ADLNA,ANSYS,NASTRON 等著名的有限元分析軟件，它們各具特點(diǎn)。 在使用 ANSYS 時(shí)能否正確建模對得到最后的正確結(jié)果起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)?這不僅僅意味著 建模的成功與否，還將作為指導(dǎo) 最后的現(xiàn)場施工 的依據(jù) ，故而這就成為了難點(diǎn) 。近年來，在材料學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的研究成果，不斷應(yīng)用于塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)制造中，使試驗(yàn)技術(shù)達(dá)到相當(dāng)高的水平。 塔式起重機(jī)在使用過程中由于磨損等原因會(huì)使起重臂臂尖撓度過大進(jìn)而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)。起重臂設(shè)計(jì)所使用的計(jì)算理論和方法對起重臂設(shè)計(jì)的影響非常大。我國許多企業(yè)也使用有限元法對塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論上的分析和塔臂變形的驗(yàn)算。 （ 1）塔式起重機(jī)起重臂在動(dòng)態(tài)有風(fēng)情況下的應(yīng)力與變形 由于塔式起重機(jī)工作過程中的幅度、吊重和風(fēng)向等條件是不斷變化的，本文將對塔機(jī)在最大起重量（滿載）、最大幅度、適度超載極限狀態(tài)下的塔臂的應(yīng)力與變形。 （ 2） 塔式起重機(jī)起重臂在靜態(tài)無風(fēng)情況下的應(yīng)力與變形 在有限元求解設(shè)置中，實(shí)際上可以通過設(shè)置一系列載荷，對起重臂不同吊重、不同位置進(jìn)行加載分析，將起升載荷沿起重臂移動(dòng)求解，得到單一起 升載荷在不同位置時(shí)起重臂的應(yīng)力分布在移動(dòng)求解中，按塔機(jī)設(shè)計(jì)要求順序加載， 在不同工況下對塔臂不同位置進(jìn)行分析四種對應(yīng)位置如圖 11。相比國外塔式起重機(jī)都具有質(zhì)量輕、起重量大、使用壽命精確、零部件更換周期明確等優(yōu)點(diǎn)，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展塔機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用，國外塔機(jī)廠商 的進(jìn)入肯定會(huì)對國內(nèi)塔式起重機(jī)廠家產(chǎn)生沖擊。因此，希望我本人的研究能夠?yàn)樗狡鹬貦C(jī)的發(fā)展進(jìn)上微薄的力量。 ○2分類及特點(diǎn)： 單吊點(diǎn)小車變幅臂架，靜定結(jié)構(gòu)，幅度在 40 米以下多采用。 （ 2）俯仰變幅臂架 通過變幅機(jī)構(gòu)繩輪系統(tǒng)進(jìn)行俯仰變化，從而能避開回轉(zhuǎn)中遇到的障礙物。 （ 4）折曲臂架 適用冷卻塔、電視塔以及一些超高層建筑施工需要。 截面形式 截面圖 2. 2圖 2. 3圖 2. 1 圖 21 平衡臂及其截面形式 （ 1） 分類與特點(diǎn) 為了使起重臂重量更輕，性能更強(qiáng)，在起重臂的設(shè)計(jì)中廣泛使用了超高強(qiáng)度 鋼材諸于 WELDOX960,WELDOX1100 等新材料，起重臂截面的設(shè)計(jì) 需要解決板材屈曲的問題，各廠家都研究出了各自的解決辦法，國外知名廠家采用了優(yōu)化的截面形狀，許多公司采用橢圓形吊臂截面的概念，采用橢圓形截面抗扭性能顯著，具有固有的獨(dú)特穩(wěn)定性和抗屈曲能力，部分企業(yè)采用大圓弧六邊形截面。但是截面的成型難度大，生產(chǎn)周期長 . 我國幾乎所有雙吊點(diǎn)塔式起重機(jī)起重臂截面可以設(shè)計(jì)成三角形或者矩形如下圖 圖 22 常用平衡臂形式 （ 2） 采用矩形截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對于矩形結(jié)構(gòu)（如圖 22）當(dāng)塔機(jī)提升重物回轉(zhuǎn)時(shí)塔臂受到斜向下的合力的作用，塔臂矩形截面容易變形且矩形結(jié)構(gòu)浪費(fèi)材料。 （ 3）采用三角形截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對于正三角形結(jié)構(gòu)，（圖 22）上弦桿通常采用圓鋼桿，下弦桿由角鋼拼焊成矩形，兼做起重小車的運(yùn)行軌道。 對于倒三角形結(jié)構(gòu)（圖 22）上弦桿通常是圓鋼管，下弦桿為工字鋼兼作起 重小車的運(yùn)行軌道。 （ 4）截面采用三角形結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性 采用倒三角形（圖 22）提升小車需要卡在工字鋼上，對工字鋼的材料要求和焊接要求比較高且成本較高。 采用正三角形 C處吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)比較容易，當(dāng)采用倒三角形時(shí) D E 桿件還需要另外的附加結(jié)構(gòu)。在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的桁架可看作是懸臂梁，承受橫向載荷。臂架根部通過銷軸與塔身聯(lián)接，臂架上設(shè)有吊點(diǎn)通過鋼絲繩或鋼拉桿與塔帽頂部連接。 桁架式水平臂架大都采用正三角截面，故此處選用如圖 a 所示的正三角截面。鋼拉桿一般采用扁鋼板、實(shí)心圓鋼或者厚壁無縫鋼管制成。 吊點(diǎn)選擇與構(gòu)造 臂架總長在 50 m 以上應(yīng)采用雙吊點(diǎn)。 （ 2）剛性組合拉桿 一次性投入，降低了生產(chǎn)成本；另外，能夠克服柔性拉桿帶來的負(fù)面影響。 暫定為實(shí)心圓鋼拉桿，雙吊點(diǎn)。通過對分析對象劃分網(wǎng)格，求解有限個(gè)數(shù)值來逼近和模擬真實(shí)環(huán)境的無限個(gè)未知量。 。（ 2）檢驗(yàn)結(jié)果（分析是否正確）具體如圖 41 圖 41 ANSYS 分析流程圖 QTZ80 點(diǎn)塔式起重機(jī)吊臂建模 由于回轉(zhuǎn)支承等實(shí)體部件相對塔機(jī)整體結(jié)構(gòu)而言幾何尺寸較小，而剛度較大、質(zhì)量較為集中，當(dāng)對塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析時(shí)，可以將回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實(shí)體部件采用來梁單元進(jìn)行等效，使塔機(jī)的整體整體分析中只包含梁單元，避免了具有不同節(jié)點(diǎn)自由度的梁單元和板殼單元的聯(lián)接問題。在作完整體分析之 后，再將整體分析中得到的等效單元的節(jié)點(diǎn)力作為外載荷，采用板殼單元單獨(dú)分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 ANSYS 提供了多種梁桿單元，在塔機(jī)分析中以梁單元為主，桿單元用的很少，而且可用梁單元代替。BEAM188 和 BEAM189 單元均以 Timoshenko 梁理論為基礎(chǔ)，其形函數(shù)中撓度和截面轉(zhuǎn)動(dòng)各自獨(dú)立插值，并考慮了剪切變形的影響。因?yàn)?BEAM188 單元具有塔機(jī)分析所要求的功能，因此，在塔機(jī)分析中使用 BEAM188 單元即可得到滿意的結(jié)果。 定義材料屬性 GUI:Main MenuPreprocessorMaterial props Material models StructurallinearElasticIsotropic 彈性模量 EX： 。 GUI:Main MenuPreprocessorMeshingMeshtool… 1XYZ JUN 19 20xx22:31:37ELEMENTS 圖 42 劃分網(wǎng)格完成 圖 施加約束 11 112 1234567891021202322151617181928291314132XYZ JUN 19 20xx22:37:16LINESTYPE NUMUROT 圖 43 施加約束 施加 載荷 1．施加風(fēng)載荷 計(jì)算風(fēng)載荷公式 w w wF C p A? (N) (41) 式中 : wF 作用在塔式起重機(jī)上和物品時(shí)上的風(fēng)載荷（ 1wF , 2wF ）， N； 12w W wF F F??； wC 風(fēng)力系數(shù)； wp 計(jì)算風(fēng)壓， wp =250pa。 2A 后片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積（ 2m ） , 2 2 12AA?? ； ?兩片相鄰桁架的前片對后片的擋風(fēng)折減系數(shù)。 靜剛度計(jì)算討論 按照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB381183》，起重機(jī)主梁跨中垂直靜撓度許用值滿足要求。 塔機(jī)模態(tài)分析 模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，這些振動(dòng)包括：固有頻率、振型、振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個(gè)振型在多大程度上參與了振動(dòng)）等。 ANSYS 模態(tài)分析的過程由 4個(gè)主要步驟組成： （ 1） .建模。 （ 3） .施加邊界條件并求解。 建模 建模過程 主要在預(yù)處理器中進(jìn)行，包括定義單元類型，單元實(shí)常數(shù)，材料參數(shù)及幾何模型。 其操作為： GUI:Main MenuPreprocessorMaterial props