动臂式塔机顶升结构的系统建模与计算分析.pdf

建筑机械化 2010 10 41 图2 顶升套架分类荷载受力简图 塔式起重机是建筑施工必不可少的重要设 备 其安全问题成为人们关注的焦点 国内外塔 机事故屡屡发生 其中不乏顶升作业中发生的事 故 因此 对顶升结构计算分析并进行研究 有 着重要的意义 1 顶升结构力学模型的建立 顶升结构由顶升套架 顶升油缸和滚轮组 成 顶升套架承受上部结构引起的载荷 顶升油 缸为顶升过程提供顶升动力 滚轮安装在顶升套 架上 在塔身之间起导向作用 顶升套架所受外载荷可简化为垂直载荷N 弯矩M和侧向载荷Fx 滚轮排布形式如图1所示 套架上部载荷的变化将使有些滚轮受力 有些滚 轮脱开 受力滚轮及轮压大小的变化 使顶升套 架受力情况有所不同 研究滚轮受力成为关键 动臂式塔机吊臂自重较大 吊臂角度改变 将使上部结构重心变化很大 并改变吊臂迎风面 积 引起风载的变化 将动臂角度的变化作为重 要考虑因素 辅以加载吊重 合理设计配重等方 法可实现轮压分配最佳 轮压计算可采取迭加法 将垂直载荷N 侧 向载荷Fx 弯矩M分别加载求轮压 如图2所示 对自升动臂式塔机顶升结构受力情况进行理论分析 研究顶升过程中顶升套架上各轮压的变化规 律及影响因素 对其进行优化控制 以保证顶升结构受力最佳 同时通过建立顶升结构有限元模 型 进行了实例计算 验证了本文结论的正确性 塔式起重机 动臂式 顶升结构 系统建模 有限单元法 动臂式塔机顶升结构的系统建模 与计算分析 System modeling and analysis of self climbing structure of the luffing jib tower crane 牛 坤 陆念力 兰 朋 NIU Kun LU Nian li LAN Peng 哈尔滨工业大学机电工程学院 黑龙江 哈尔滨 150001 摘 要 关键词 图1 顶升套架受力简图 1 塔身 2 顶升油缸 3 上部结构 4 顶升套架 5 滚轮 定义F上为上部轮组轮压F1 F3之和 F下为下部轮 组轮压F2 F4之和 F上和F下方向以向右为正 从 滚轮力的方向可判定哪一侧滚轮受力 1 垂直载荷N作用于套架上 由图3知此时 国家 十一五 科技项目 National eleventh five year plan 42 2010 10 CONSTRUCTION MECHANIZATION 垂直载荷与油缸力汇交 于下滚轮以下某一点 由三力汇交原理可知 滚轮合力F也作用于该 点 T为油缸支撑力 F 为套架上各滚轮的水平 总反力 由图3平衡关系 知 T N cosj F Ntanj 1 滚轮合力F由上下 两排滚轮力共同作用产 生 由平衡方程可求得 上 下滚轮力为 F上 1 l1 l Ntanj F下 N tanj l1 l 2 2 水平载荷Fx作用于套架上 见图2b 此时 受力滚轮为滚轮1 2 上下滚轮力为 F上 F下 Fx 2 3 3 弯矩M作用于套架上 见图2c 假设弯矩使 结构后倾为正 则滚轮2 3受力 上下滚轮力为 F上 F下 M l 4 式中弯矩M由垂直载荷N 水平载荷Fx引起 故 M MN Mx Ne Fxh 5 综合以上三种情况 可得上下滚轮力为 并注意到l1 m c tanj 整理后可得 式中 c 套架上油缸支承点到塔机回转中心距离 m 上滚轮与油缸在套架上支承点垂直 间距 通过调节相关参数 使轮压分配达到理想数 值 即可实现顶升结构受力良好的目的 2 轮压合理分配条件及优化 顶升状态下 上部结构自重偏心e 水平集中 载荷Fx及其作用位置高度h随吊臂角度q变化 根 据某型号塔机的实际数据 绘制滚轮力随吊臂角 度变化曲线如图4所示 吊臂角度变化时 上 下滚轮力呈现相反的 变化趋势 并在正负值间变化 两曲线相交处上 下轮压均较小 为使结构受力较为理想 应将轮 压值变化幅度控制在较小范围内 且使上下轮压 均衡或轮压相对较小 以上下轮压相等为目标的 平衡方程为 l 2m Ntanj 2N e q c 2h q Fx q 0 8 除调整吊臂角度外 还可通过加载一定调整 吊重 达到上部载荷的平衡 实现上下轮组轮压 相等 此时 上部结构自重N是关于吊重Q的函 数 含有吊重Q 吊臂角度q的平衡方程为 l 2m N Q tanj 2N Q e q Q c 2h q Fx q 0 3 计算实例 3 1 算例1 以某动臂式塔机为例进行实例分析 上下 滚轮间距l 576cm 油缸支点距上滚轮距离 m 30cm 将数据代入式 8 解得顶升高度 为290cm时 该塔机顶升工况最佳吊臂角度为 q 32 6087 对应幅度为lb 51 61m 应用有限 元软件SAP84对该动臂式塔机进行顶升工况结构 受力分析 所建模型如图5所示 对结构施加上部自重载荷 偏摆及风载引起 的水平集中载荷 将计算所得不同幅度时顶升结 构受力情况绘制成曲线如图6 图7所示 有限元计算结果表明 幅度52m q 32 时该 塔机上下轮压相等 与理论计算结果51 61m误差 仅为1 由图6 图7可知 最佳吊臂角度处上下 轮压相等 且轮压很小 套架主弦应力亦不大 图3 垂直载荷单独 作用时受力简图 F上 F下 1 l l l1 Ntanj Fxl 2 M l1Ntanj Fxl 2 M 6 F上 F下 1 l l m Ntanj N e c h l 2 Fx mNtanj N e c h l 2 Fx 7 图4 滚轮力随吊臂角度变化曲线 9 National eleventh five year plan 国家 十一五 科技项目 建筑机械化 2010 10 43 本文选取几个特殊位置 将式 9 理论计算所 得 qi Qi 代入有限元模型 计算结果如表1所示 由计算结果可知 将吊臂调至一定角度 并 施加相应调整吊重时 可使上 下轮压较小并趋 于均衡 套架主弦内力在许用应力范围内 随着 幅度增加 仰角减小 套架主弦最大内力呈减 小趋势 当吊臂角度减小 幅度变大时 所需要 的调整吊重也减小 验证了理论分析的正确性 4 结 论 在自升式动臂塔机顶升过程中 通过确定 合理的轮压分配目标函数 调整吊臂角度 适当 施加调整吊重等措施即可实现轮压较小并趋于均 衡 顶升工况结构受力合理 对于提高顶升工况 的安全性具有重要的意义 参考文献 1 吴启鹤 薛大德 对自升塔机重心 偏移 及臂架 浮动 的探讨 J 建筑机械化 1986 9 20 23 2 朱森林 塔机顶升工作中的安全问题 J 建筑安全 2006 6 32 34 3 郑惠强 自升式塔机顶升套架的计算方法 J 建筑 机械化 1992 3 13 14 4 赵伟民 郭 峰 李瑰贤 基于有限元新方法的 塔机顶升结构分析 J 建筑机械 2006 1 66 67 编辑 金治勇 图5 动臂式塔机顶升工况有限元模型 图6 轮压大小随幅度变化曲线 图7 套架主弦最大应力随幅度变化曲线 图8 轮压均衡时工作幅度与调整吊重对应关系曲线 表1 特定吊臂角度 合理吊重下顶升结构受力情况 吊臂角度 吊重 t 对应幅 度 m 上轮轮压 kgf 下轮轮压 kgf 套架主弦最大 应力 kgf cm2 73 358767 05105649 458 5669 0571099 62 64 366140 2816 55367 894 5314 1881000 07 14 67589 10405094 894 5054 583883 13 基金项目 国家 十一五 科技支撑计划项目 2006BAJ12B03 2 中图分类号 TH212 文献标识码 B 文章编号 1001 1366 20