塔式起重机静力学及模态分析研究

塔式起重机静力学及模态分析研究

胡留现1，李一帆2

洛阳理工学院工程管理系，河南洛阳，河南科技大学建筑工程学院，河南洛阳(1. 471023 2. 471003)

摘要： 强度和振动特性是设计塔式起重机的金属结构的重要指标。利用有限单元法进行塔式起重机的整体建

模，分析了塔式起重机的强度特性和振动特性，指出了极限吊重情况下静态极限强度的位置，并分析了塔式起重

机的振动频率和振型，为研究塔式起重机的其他动力响应提供了依据。

关键词：塔式起重机；静力学；模态分析；有限元

DOI:10.3969/j.issn.1674-5043.2010.01.011

中图分类号: TH21 文献标志码 : A 文章编号: 1674-5043(2010)01-0035-05

塔式起重机是一种广泛应用于建筑施工和工业起重的机械，它具有工作效率高、适用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便、安装与拆卸也比较方便等特点。当起重臂架绕塔式起重机的回转部分作°回转、吊重载荷沿起重臂架运行并升降时以及由于驱动控制系统电机抖动等原因，都会使塔式起360重机引起振动。在此情况下，吊重荷载等动荷载对塔式起重机结构所引起的内力和变形，要比同样大小的静荷载所引起的大，有时甚至大得多。由于塔式起重机结构及构件承受的动荷载一般都很大，而且加载次数较为频繁，更容易产生疲劳破坏。因此塔式起重机的安全可靠性问题越来越引起设计者的关注，

李海虹[1]等对塔机钢丝绳拉索起重臂作了动态分析。张俊[2]利用软件对塔机结构做了动态分ALDORFEAS 析。陆念力等[3]

利用对塔机结构动态分析的梁杆系统模型和简化模型作了比较。总参谋部科研二所SAP84的张银龙[4]对塔式起重机的振动模态分析。重庆大学的郑海斌、张大可等[5]对塔式起重机起重臂进行了有限元分析。

为了避免塔式起重机结构产生共振现象，同时使塔式起重机结构的设计更加合理，以确保塔式起重机在工作过程中满足强度条件和相关的动力性能要求。采用有限元法以式塔式起重机为例对该机QTZ630的整个金属结构的静、动力学特性进行了有限元数值模拟。塔式起重机的结构及性能参数

1 塔式起重机基本结构

1.1 型塔式起重机由金属结构部分、工作机构部分和驱动控制系统三部分组成。塔式起重机的金QTZ630属结构部分又包括塔身、塔顶、起重臂架、平衡臂架、回转支承架、底架和台车架等主要组成部件，是典型的桁架结构，它一般由许多拓扑形状相同的杆件组成。该设备共有种不同尺寸的实心圆杆、空心圆6杆和空心矩形杆构成。在结构的力学分析中，主要分析塔身、塔臂和塔顶的杆件受力。

性能参数

1.2 起重能力：R max ，=50 m Q ；

=1.2 t R ，=2~15.44 m Q ；

=5 t 起升速度：，；

100/80/50/40/5m/min 回转速度：，；

0.6/0.4r/min 变幅速度：，。

45/16m/min

建立有限元分析模型

2 单元模型选择

2.1 在选用单元类型时，考虑到尽管塔式起重机的大多数杆件主要承受轴向力，但在实际承载时会出现其他内力，如弯矩、扭矩、剪力以及稳定性等，这也是塔式起重机一般多考虑选用空心圆形截面、空心矩形截面的主要因素之一。为了准确地计算各种内力对塔式起重机杆件应力的影响，在建立塔式起重机的有限元模型时选用了考虑拉压、弯曲和扭转刚度的空间梁单元，它可以承受分布在空间的集中力、分布力等。本文采用空间梁单元。

Beam144截面参数定义

2.2 杆件的截面类型一般是采用型钢、空心矩形和空心圆形，为此在定义截面几何性质模型时，应该计算出截面参数，如A 、I x 、I y 、H 、B 等，同时还应该有材料的弹性模量E 。为建模型方便，所有杆件都没有考虑构件的实际截面形状，只是按照截面几何参数定义实常数的方式输入杆件的截面几何参数，通过截Section 面参数定义来确定各个单元的截面形状和尺寸。设备材料为45＃结构碳素钢材，弹性模量E =21，泊松0 MPa 比为，密度为0.37800 kg/m 3

。

塔身在竖向由许多标准节组成。塔臂也是由水平方向上一些标准节和一部分非标准节组成，塔臂一般由根直杆组成，顶部根圆形截面杆，底部由根空心矩形截面杆组成，中间还有一些腹杆连接，这些312腹杆多为圆形截面。斜拉索有时有根，有时有根，它们主要从塔臂中间连接到塔顶。各部分杆件的截12面几何参数如下：

塔身外立柱、塔臂上弦杆、塔顶斜支撑使用直径，塔壁的空心圆杆。定义为第类实常200 mm 15 mm 3数。

塔臂下弦内侧杆和塔臂侧面腹杆用直径、壁厚的空心圆杆。定义为第类实常数。

60 mm 4 mm 4塔身内水平杆、斜支撑使用直径、壁厚的空心圆杆。定义为第类实常数。

100 mm 5 mm 5塔顶外立柱用直径、壁厚的空心圆杆。定义为第类实常数。

250 mm 15 mm 6塔臂下弦杆，即水平横梁用宽、高度、壁厚的空心矩形截面杆。定义为第类实80 mm 200 mm 8 mm 7常数。

斜拉索用直径的实心圆杆。定义为第类实常数。

50 mm 8由于在平衡臂上有许多附加的可以简化为集中质量的部件，所以，在建立塔式起重机的有限元模型时，对平衡臂的结构利用结构主要质量等效原理尽可能地进行简化，将平衡臂的截面尺寸作了放大处理，采用了高、宽、厚的矩形截面刚性钢梁。600 mm 300 mm 15 mm 建立拓扑模型

2.3 采用直接生产单元的方式构建的塔式起重机的有限元模

型，如图所示。模型由个单元和个结点组成。

1840337塔身

2.3.1 塔身一般有许多个标准节组成，每个标准节具有相同的拓

扑结构、几何尺寸和截面类型，所以塔身的标准节只需要定义

一次，以后的各节塔身可以通过平移节点编号后得到。

每个标准节由立柱和腹杆构成，标准节之间的连接也需要

设置为节点，即每个标准节的立柱端部也设置为节点。在相邻

两个标准节之间有一个中间节点，连接相邻的两个标准节。其

余各个标准节的布置形式和这一节完全相同，仅仅是节点的坐标位置平移一个标准节高度。这个塔机共由个标准节组成。10图塔式起重机有限元模型

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