王胜春 李文豪 杨峻涵 王忠雷 董明晓
山东建筑大学机电工程学院 济南 250101
摘 要：塔式起重机标准节斜腹杆的布置形式不同，能否对塔机整机性能产生影响。文中以QTZ80 塔式起重机为例，选取两种标准节斜腹杆的布置形式，采用有限元软件进行建模，进行了不同工况的静力学和起升工况下的动力学分析，从不同工况的计算和工艺角度进行分析，推荐了一种优先选用的塔式起重机标准节斜腹杆的布置形式。
关键词：塔式起重机；斜腹杆；整机性能；布置形式
0 引言
塔式起重机（以下简称塔机）是建筑工程领域的重要机械设备，是建筑施工作业的主要运输机械。随着国家经济的不断发展，塔机的使用率不断上升，其安全性也越来越受到重视。本文研究了QTZ80 塔机的两种标准节斜腹杆布置形式（即A 型、B 型），其标准节形心展开线如图1 所示，通过对比两种不同标准节布置形式下对塔机整机的性能影响，分析得出一种更合理的标准节形心展开线的布置形式。
（a）A 型形心展开线布置形式
（b）B 型形心展开线布置形式
图1 塔机标准节形心展开线
1 QTZ80 塔机的有限元建模
塔机由塔身、起重臂、平衡臂、回转机构、起升机构和变幅机构等各部分组成，为了使建立的塔机结构动态分析模型更合理准确，建模时须进行简化处理：
1）由于回转支座几何尺寸小、刚度大、质量集中且不易失稳，故可采用梁单元进行等效处理，减少塔机整体分析时的单元种类，避免了具有不同节点自由度的梁单元和板壳单元的连接问题，以便于进行后处理分析；
2）塔机附件( 如电机等) 几何尺寸较小，质量集中，可采用质量单元来处理；吊钩与吊重同步，均可作为起升载荷处理，但对塔机整体应力的大小及分布无大的影响，为方便建模，对平衡重部分、起升机构、变幅机构采用质量单元来模拟；
3）塔身底部结构刚度大，与地脚螺栓相连，约束在底部4 个节点的所有自由度；平衡臂与回转节连接处及拉杆与平衡臂、塔顶连接处可视为铰支座，采用耦合处理，仅释放绕其销轴转动自由度，以反映其真实连接情况；塔身的刚度大，上部弯矩小，可将回转塔身与上回转支座的连接及下回转支座与塔身的连接作为固定支座。塔机各杆件的材料属性均选用钢材，即弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3。由于塔机大多数杆件主要承受轴向力外还承受如弯矩、扭矩、剪切等内力，为提高建模的准确性，选用考虑拉压、弯曲和扭转刚度的空间梁单元Beam 188 进行建模。平衡臂拉杆选择空间杆单元Link 180 单元模拟即可满足分析要求。Link 180 是2 节点三自由度的轴向拉压维杆单元，不考虑杆件的弯曲及扭转变形，具有塑性、蠕变、大变形等多种特性。质量单元选用Mass 21，Mass 21 具有1节点六自由度：沿x、y、z 方向的平动及绕x、y、z 轴的转动，能体现三维结构的质量集中，且具有物体的质量惯性。根据所选单元类型及定义参数，建立图2 所示塔机结构有限元模型，两种斜腹杆布置形式的塔机标准节如图3 所示。
图2 塔机的有限元模型图
（a）A 型形心展开线布置形式的标准节
（b）B 型形心展开线布置形式的标准节
图3 塔机标准节有限元模型
2 不同工况的计算分析
力学分析是机械产品设计的重要阶段，其主要目的是确定结构在受力条件下受指定载荷、温度、约束的应力和位移分布，通过不同工况的计算分析两种不同的斜腹杆布置形式对塔机整机受力的影响。
2.1 静力分析
1）工况一
最大幅度Rmax ＝ 60 m，起升额定起重量Q ＝ 1 100kg，由Ansys 分析得出该工况下A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机的位移和应力数据如表1 所示。
2）工况二
最小幅度R ＝ 2 m，起升额定起重量Q ＝ 8 000kg，由Ansys 分析得出该工况下A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机的位移和应力数据如表2 所示。
通过工况二分析可知，A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机最大位移差值的绝对值为1.2×10-4 m，最大应力的差值为0，且两种塔机的最大位移和最大应力均出现在相同位置。
3）工况三
起升最大起重量Q ＝ 8 000 kg，及其相应最大幅度R ＝ 11.9 m，由Ansys 分析得出该工况下A 型形心展开线塔机和B型形心展开线塔机的位移和应力数据如表3所示。
通过工况三分析可知，A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机最大位移差值的绝对值为1.1×10-5 m，最大应力的差值为0，且两种塔机的最大位移和最大应力均出现在相同位置。
2.2 起升时塔机的瞬态特性分析
1）工况四
在最大幅度Rmax ＝ 60 m，将1.1 t 重的货物从地面由静止状态提升至最大起升高度H ＝ 45 m 的过程，由Ansys 瞬态特性分析得出该工况下A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机的位移和应力数据如表4 所示。
通过工况四分析可知，A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机最大位移差值的绝对值为1.0×10-4 m，最大应力的差值的绝对值为1×106 Pa，且两种塔机的最大位移和最大应力均出现在相同位置。
2）工况五
在最小幅度R ＝ 2 m，将8 t 重的货物从地面由静止状态提升至最大起升高度H ＝ 45 m 的过程，由Ansys 瞬态特性分析得出该工况下A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机的位移和应力数据如表5 所示。
通过工况五分析可知，A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机最大位移差值的绝对值为9.0×10-5 m，最大应力的差值的绝对值为1×106 Pa，且两种塔机的最大位移和最大应力均出现在相同位置。
3）工况六
在起升最大起重量Q ＝ 8 000 kg 的相应最大幅度R ＝ 11.9 m 处，将8 t 重的货物从地面由静止状态提升至最大起升高度H ＝ 45 m 的过程，由Ansys 分析得出该工况下A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机的位移和应力数据如表6 所示。
通过工况六分析可知，A 型形心展开线塔机和B 型形心展开线塔机最大位移差值的绝对值为2.7×10-4 m，最大应力的差值为0，且两种塔机的最大位移和最大应力均出现在相同位置。
3 结果分析
6 种工况下A 型、B 型形心展开线布置形式塔机的求解对比结果如表7 所示。由表7 可知，塔机标准节以A 型形心展开线布置和以B 型形心展开线布置对于塔机整机的位移和应力的影响均较小，可忽略不计。
从工艺角度分析，塔身标准节上的斜腹杆与主弦杆通常以焊接的形式连接，斜腹杆承受着弯矩、扭矩、轴力、水平力等作用，所以斜腹杆与主弦杆之间连接焊缝为重要焊缝。由图3 可知，B 型形心展开线布置形式标准节的其中两根主弦杆分别与4 根斜腹杆相连接，比A型形心展开线布置形式标准节主弦杆与斜腹杆的连接更密集。B 型形心展开线布置形式标准节主弦杆上的焊缝更集中，且每处焊缝都存在应力集中和焊接残余应力，虽然应力集中对塑性较好的低碳结构钢的静强度影响有限，但对塔机焊接结构疲劳强度有明显影响，影响的大小需要根据具体的结构细节，查取相关资料和由实验确定，对于塔机，应力集中可使疲劳强度相对降低很多。
4 结论
1）从不同工况计算分析可知，A 型形心展开线布置形式和B 型形心展开线布置形式，虽然布置形式不同，但对塔机整机的位移和应力的影响可以忽略。
2）从工艺角度分析可知，B 型形心展开线布置形式的塔机，由于标准节主肢上焊缝更密集，故更易出现应力集中的情况，导致疲劳强度相对降低。
3）A型布置方式在标准节的4 个面内布置方式一致，工人在焊接等操作过程中更顺手流畅。综上所述，同一型号的塔机标准节，在设计斜腹杆的布置方式时，可优先采用A 型形心展开线布置形式。
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