【學(xué)員問(wèn)題】塔式起重機動(dòng)態(tài)響應分析和測試？

        【解答】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(zhù)現代工業(yè)的迅速發(fā)展和市場(chǎng)競爭的加強，對塔式起重機設計的要求越來(lái)越高，不僅要考慮其靜強度，更需要考慮動(dòng)強度。所以，塔機的動(dòng)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(dòng)態(tài)響應分析和動(dòng)強度電測試驗。

        有限元計算模型的建立

        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(guān)系到結果的正確與否。

本課題從研究要求出發(fā)，特作以下幾點(diǎn)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(dòng)不對原動(dòng)機和傳動(dòng)機構的運動(dòng)產(chǎn)生影響；

        （5）起重機在工作過(guò)程中，鋼結構工作在彈性范圍內，力與變形屬線(xiàn)性關(guān)系，振動(dòng)屬線(xiàn)性振動(dòng)。

 

        2.常用單元

        針對塔機結構的特點(diǎn)，用有限元法計算時(shí)，主要采用桿元、梁元、板元、塊元，板桿組合、板塊組合。共有節點(diǎn)9066個(gè)，梁元1113個(gè)，塊元1836個(gè)，殼元5868個(gè)。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。t2101.gif（1167bytes）

        支承與載荷

 

        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(guò)銷(xiāo)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(diǎn)按固定鉸支座處理。平衡臂的臂根和上吊點(diǎn)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。

 

        2.載荷

        應用有限元法對塔式起重機結構進(jìn)行分析時(shí)，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(chē)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(cháng)度上，稱(chēng)其為分布載荷。塔機結構的自重，風(fēng)載荷，由加速運動(dòng)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(diǎn)。

 

        3.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(shí)在計算中僅僅把鋼絲繩簡(jiǎn)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(shí)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(tài)如圖3（a）所示。

        根據滑輪的構造和受力特點(diǎn)，在建立有限元計算模型時(shí)，在局部構造一個(gè)在平面內三桿匯交于一點(diǎn)的體系，來(lái)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(gè)桿單元，其軸線(xiàn)同鋼絲繩的實(shí)際軸線(xiàn)重合。同時(shí)再構造一個(gè)新的桿單元如AO桿，它處于上述兩桿單元的對稱(chēng)位置上代替了滑輪的作用。如圖3（b）所示。

        起升工況的動(dòng)態(tài)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(dòng)、穩定上升、上升制動(dòng)、下降啟動(dòng)、穩定下降和下降制動(dòng)六個(gè)階段，其中上升啟、制動(dòng)及下降啟、制動(dòng)為非穩定運動(dòng)狀態(tài)，吊重會(huì )產(chǎn)生動(dòng)載荷。這就使起重臂結構上的載荷成為交變動(dòng)載荷，在此動(dòng)態(tài)載荷激勵下，起重臂結構產(chǎn)生振動(dòng)，結構中應力為交變動(dòng)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(wú)條件穩定，具有二階精度，在高階模態(tài)具有可控的算法阻尼。

        計算工況分為離地起升和下降制動(dòng)二種：

        下降制動(dòng)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(dòng)下降速度擋。前一種情況在操作時(shí)首先由正常下降速度轉換為較低的微動(dòng)下降速度，而后再采取制動(dòng)。后一種情況雖常常由高速下降直接制動(dòng)，但為空載狀態(tài)。所以二種情況所產(chǎn)生的動(dòng)載荷都遠遠小于滿(mǎn)載離地起升工況。

        故在QTZ-80型塔機實(shí)例計算中，僅考慮吊重離地起升工況。

 

        1.吊重離地起升的三個(gè)階段

        第一階段：起升機構啟動(dòng)并加速，松馳的鋼絲繩被拉直，但沒(méi)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(kāi)始受載并振動(dòng)；當鋼絲繩中張力稍大于物品的重量時(shí)，物品離地上升。為了簡(jiǎn)化計算，可認為第二階段中起升機構的運動(dòng)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(diǎn)取在靜平衡位置，則系統從第二階段末了時(shí)的速度和位移為初始條件作自由振動(dòng)。

 

        2.激勵載荷F（t）

        當吊重離地起升第一階段結束時(shí)激勵載荷F（t）是由起升機構卷繞和張緊鋼絲繩而產(chǎn)生的，當單繩起升速度為Vt時(shí)，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(cháng)度；

        t――吊重脫離地面的時(shí)間。

 

        對第二階段來(lái)講，第一階段結束時(shí)的動(dòng)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(jìn)入第二階段后，重物已經(jīng)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(gè)常量。此外，在重物脫離地面的瞬間，重物尚無(wú)運動(dòng)速度，因此重物有向下相對運動(dòng)的初始速度。

        結合QTZ80型塔機對吊重離地起升時(shí)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)響應分析，得到了起重臂位移與時(shí)間和應力與時(shí)間的關(guān)系，見(jiàn)結論。

 

        3.計算時(shí)應注意的問(wèn)題

        吊重離地起升與下降制動(dòng)時(shí)采用二個(gè)假定建立運動(dòng)方程：

        （1）在物品起升和下降制動(dòng)過(guò)程中忽略起升鋼絲繩懸掛長(cháng)度的改變；

        （2）在物品起升和下降制動(dòng)過(guò)程中，原動(dòng)機和傳動(dòng)機構的運動(dòng)不受結構振動(dòng)的影響。

 

        4.動(dòng)態(tài)應變測試

        本課題用電測法對塔機結構進(jìn)行動(dòng)態(tài)應變應力測量。

        動(dòng)態(tài)應變測試目的是測定塔機主要結構的動(dòng)態(tài)應力，確定塔機不同部件的動(dòng)載系數，驗證理論計算正確性。

        實(shí)測時(shí)在回轉節、起重臂、塔身主弦桿上進(jìn)行了測點(diǎn)布置，整體布局如圖4所示。

        （1）根據動(dòng)強度測試及動(dòng)態(tài)響應計算發(fā)現，塔機結構設計中不存在一個(gè)統一的動(dòng)載系數：塔根處動(dòng)載系數最大，起重臂次之，吊鉤最小。這是因為吊鉤的動(dòng)載荷僅由吊重的慣性力引起；起重臂的動(dòng)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(dòng)載荷則綜合了吊重、起重臂和塔身三者的慣性力。動(dòng)載系數的測試值見(jiàn)表1.

        （2）起重臂動(dòng)載系數的計算值與測試值基本吻合。圖5為動(dòng)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(guò)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(diǎn)相對應的單元序號。表2為吊重全速離地上升時(shí)動(dòng)載系數的測試值與計算值的比較，二者相對誤差在3.7%～10%之間，計算值稍偏大。

以上內容均根據學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請及時(shí)溝通、指正。