塔式起重機動態響應分析和測試

 

    關鍵詞：塔式起重機　動態響應　動強度測試

 

    由于現代高層結構的施工要求，自升式塔式起重機已成為不可缺少的重要施工機械，而且隨著現代工業的迅速發展和市場競爭的加強，對塔式起重機設計的要求越來越高，不僅要考慮其靜強度，更需要考慮動強度。所以，塔機的動力特性已成為重要的研究課題。

 

    本文主要論述了QTZ80型塔機，當吊重離地起升工況下的有限元動態響應分析和動強度電測試驗。

 

    1　有限元計算模型的建立

 

    1.1　對建模的要求

 

    建立正確而可靠的塔機結構體系有限元計算模型是一項十分重要的工作，它直接關系到結果的正確與否。

 

    本課題從研究要求出發，特作以下幾點假設：

 

    (1)變幅和起升鋼絲繩和滑輪可作為特殊的桿單元處理；

 

    (2)底架近似為剛性，作固定端處理；

 

    (3)忽略結構阻尼；

 

    (4)在正常運轉情況下，結構振動不對原動機和傳動機構的運動產生影響；

 

    (5)起重機在工作過程中，鋼結構工作在彈性范圍內，力與變形屬線性關系，振動屬線性振動。

 

    1.2　常用單元

 

    針對塔機結構的特點，用有限元法計算時，主要采用桿元、梁元、板元、塊元，板桿組合、板塊組合。共有節點9066個，梁元1113個，塊元1836個，殼元5868個。圖1表示了板桿組合的平衡臂，圖2表示了板元組成的下回轉支座中的立V板。

 

    圖1　平衡臂

 

    圖2　下回轉支座中的立V板

 

    1.3　支承與載荷

 

    1.3.1　支承與約束

 

    塔機本身和各部分結構都必須設置和支承在某一基礎或其它結構之上，即有其約束，對于QTZ80t型塔機的支承與約束作如下處理：

 

    塔身底部結構剛度很大，又與地基用地腳螺栓相連，則認為在底部能承受彎矩，可以假定它是固接支座。起重臂根部是通過銷軸與塔機的回轉節相連，故在臂架起升平面可認為是固定鉸支座。

 

    起重臂二根拉桿以梁元處理，其上吊點按固定鉸支座處理。平衡臂的臂根和上吊點處理方法與起重臂相似，為固定鉸支座。由于塔身的剛度很大，彎矩小，故可把塔帽與上回轉支座的連接及下回轉支座與塔身的連接做為固接支座。

 

    1.3.2　載荷

 

    應用有限元法對塔式起重機結構進行分析時，載荷通常是給定的。

 

    根據載荷在結構上的分布情況，可以分為以下二種：

 

    (1)集中載荷　外載荷作用在結構上的區域很小，如變幅小車的輪壓、吊重等；

 

    (2)分布載荷　如果作用在結構上的載荷是在一定面積或一定長度上，稱其為分布載荷。塔機結構的自重，風載荷，由加速運動引起的慣性力等，通常都作為分布載荷。

 

    注意：在集中力作用處，支承約束處，幾何特性變化很大處都要劃分為節點。

 

    1.4　鋼絲繩、滑輪的處理

 

    由于我們采用有限元通用軟件，這些程序的單元庫中不可能包含鋼絲繩、滑輪單元。因而有時在計算中僅僅把鋼絲繩簡化為桿單元，而不考慮滑輪作用。這樣顯然不能保證鋼絲繩的軸力以及滑輪軸對支承的作用與實際情況相符。所以我們利用桿單元模擬鋼絲繩滑輪作用。忽略摩擦力的影響，鋼絲繩滑輪承載后的受力狀態如圖3(a)所示。

 

    圖3　鋼絲繩滑輪承載后的受力狀態

 

    根據滑輪的構造和受力特點，在建立有限元計算模型時，在局部構造一個在平面內三桿匯交于一點的體系，來模擬鋼絲繩和滑輪作用。即把滑輪兩端的鋼絲繩分別取為二個桿單元，其軸線同鋼絲繩的實際軸線重合。同時再構造一個新的桿單元如AO桿，它處于上述兩桿單元的對稱位置上代替了滑輪的作用。如圖3(b)所示。

 

    2　起升工況的動態響應分析

 

    起升是塔式起重機主要工況之一，正常起升包括上升啟動、穩定上升、上升制動、下降啟動、穩定下降和下降制動六個階段，其中上升啟、制動及下降啟、制動為非穩定運動狀態，吊重會產生動載荷。這就使起重臂結構上的載荷成為交變動載荷，在此動態載荷激勵下，起重臂結構產生振動，結構中應力為交變動應力。

 

    在求得塔機系統的固有頻率、固有振型后就可以用直接積分法中的Wilson—θ法求解，因為Wilson—θ法無條件穩定，具有二階精度，在高階模態具有可控的算法阻尼。

 

    計算工況分為離地起升和下降制動二種：

 

    下降制動有二種情況，一是將吊重安裝就位，二是空鉤下降取物。QTZ-80型塔機根據現行塔機設計規范，起升機構設置了微動下降速度擋。前一種情況在操作時首先由正常下降速度轉換為較低的微動下降速度，而后再采取制動。后一種情況雖常常由高速下降直接制動，但為空載狀態。所以二種情況所產生的動載荷都遠遠小于滿載離地起升工況。

 

    故在QTZ-80型塔機實例計算中，僅考慮吊重離地起升工況。

 

    2.1　吊重離地起升的三個階段

 

    第一階段：起升機構啟動并加速，松馳的鋼絲繩被拉直，但沒有張緊，所以結構并未受載。假設在鋼絲繩張緊以前，起升機構達到額定轉速。

 

    第二階段：起升機構繼續運轉，鋼絲繩張緊，張力逐漸增大，結構開始受載并振動；當鋼絲繩中張力稍大于物品的重量時，物品離地上升。為了簡化計算，可認為第二階段中起升機構的運動速度保持不變。

 

    第三階段：物品離地后上升，在此階段中若座標原點取在靜平衡位置，則系統從第二階段末了時的速度和位移為初始條件作自由振動。

 

    2.2　激勵載荷F(t)

 

    當吊重離地起升第一階段結束時激勵載荷F(t)是由起升機構卷繞和張緊鋼絲繩而產生的，當單繩起升速度為Vt時，則起升鋼絲繩的張力即激勵載荷為：

 

    F（t）＝EwFw／Lw∫t0Vtdt

 

    式中　Ew——鋼絲繩彈性模量;

 

    Fw——鋼絲繩截面面積;

 

    Lw——鋼絲繩總長度;

 

    t——吊重脫離地面的時間。

 

    對第二階段來講，第一階段結束時的動力參數也是它的初始激勵因素，包括激勵力、初始位移和初始速度。進入第二階段后，重物已經脫離地面，鋼絲繩已不能再張緊以提高激勵力。所以F(t)是一個常量。此外，在重物脫離地面的瞬間，重物尚無運動速度，因此重物有向下相對運動的初始速度。

 

    結合QTZ80型塔機對吊重離地起升時進行的動態響應分析，得到了起重臂位移與時間和應力與時間的關系，見結論。

 

    2.3　計算時應注意的問題

 

    吊重離地起升與下降制動時采用二個假定建立運動方程：

 

    (1)在物品起升和下降制動過程中忽略起升鋼絲繩懸掛長度的改變；

 

    (2)在物品起升和下降制動過程中，原動機和傳動機構的運動不受結構振動的影響。

 

    3　動態應變測試

 

    本課題用電測法對塔機結構進行動態應變應力測量。

 

    動態應變測試目的是測定塔機主要結構的動態應力，確定塔機不同部件的動載系數，驗證理論計算正確性。

 

    實測時在回轉節、起重臂、塔身主弦桿上進行了測點布置，整體布局如圖4所示。

 

    圖4　測點布置圖

 

    (黑色符號代表貼應變片的地方)

 

    4　結論

 

    （1）根據動強度測試及動態響應計算發現，塔機結構設計中不存在一個統一的動載系數：塔根處動載系數最大，起重臂次之，吊鉤最小。這是因為吊鉤的動載荷僅由吊重的慣性力引起；起重臂的動載荷除了吊重的慣性力外，還有自身的慣性力；塔身根部的動載荷則綜合了吊重、起重臂和塔身三者的慣性力。動載系數的測試值見表1。

 

    表1　動載系數測試值

 

    測點動載系數

 

    吊鉤1.14

 

    起重臂1.15

 

    回轉節1.4

 

    塔身1.55

 

    （2）起重臂動載系數的計算值與測試值基本吻合。圖5為動強度測試中起重臂的結構示意圖，圖中所示的下弦桿為測試單元；在計算過程中，采用了與測試的起重臂具有相同的結構特征和材料特性建立的計算模型。圖5中的數字為計算模型中與測試點相對應的單元序號。

 

    圖5　起重臂下弦桿的測試單元

 

    從設計角度講，計算值偏保守，在實際工程應用中是合理的。

 

    （3）當吊重作加速離地上升時，起重臂在垂直方向的最大位移與現場測試值基本一致。圖6為吊重加速離地上升時起重臂分別在X、Y和Z方向的位移響應計算值，在每個圖中給出了起重臂在0.15～1.5s的時間范圍內10個時刻的響應。其中圖6?中所示的起重臂在垂直方向的位移，最大值達到了620mm；根據現場測試，吊重加速離地上升時的起重臂的最大位移量在600mm～700mm范圍；計算值在測試值的范圍之內。這說明所建立的模型是合理的，用有限元方法所計算出的結果是令人可信的。而且在各位移量中，Z方向位移起主要作用，說明彎矩的影響是主要的，應重點考慮。

 

    圖6　吊重作離地上升運動時起重臂的響應計算值

 

    X方向位移是由起重臂上各結構偏心產生的彎矩引起的，Y方向位移是由塔身傾斜、Z方向位移、起重臂軸向壓力引起的，Z方向位移是由起重臂上各結構產生的彎矩引起的，由圖6可看到三個方向的位移都出現了正負值的變化，應加以重視。

 

    （4）圖7表示起重臂下弦桿受到吊重加速離地上升激勵載荷作用下的復合應力。由圖看到，靠近起重臂根部的地方(單元1和單元53)受拉應力，從53單元附近到起重臂端部受壓應力，并且在雙吊點之間(20m左右)147單元出現最大壓應力，這與起重臂所受的彎矩是相符的。

 

    圖7　吊重加速離地上升時起重臂下弦桿的復合應力

 

    （5）經計算后發現，當吊重加速離地上升時，起重臂上產生的剪力非常大(見表3)，對結構的強度會有較大的影響，不可忽略。

 

    表3　起重臂部分單元的剪力

 

    單元號剪力(N)單元號剪力(N)

 

    1137.314722570

 

    53-1072023413780

 

    94-19870238-36490

 

    150-48010324-339.5

 

    由以上計算和分析表明，吊重加速離地上升時，起重臂在垂直方向上的位移量較大，下弦桿上產生的復合應力較大，并且受到較大的剪力作用，對起重臂的結構強度和工作的穩定性產生不良的影響，因此在實際工作過程中，操作時應遵循操作規程，避免吊重以最大加速上升。