摘 要:以某型塔機結構變形分析為基礎，研究塔身、上下支座、起重臂等的變形對起重臂臂尖撓度的貢獻量，并以此為指導提出降低起重臂臂尖撓度的措施。

　　關鍵詞：撓度、貢獻量

　塔機工作過程中起重臂臂尖撓度過大，會影響牽引小車工作性能，因此在塔機設計中，必須合理控制塔機各部分的剛度，使起重臂臂尖撓度在一定的范圍內；但是由于起重臂臂尖撓度是塔機整機變形的綜合結果，而塔機各部分結構形狀和連接形式很復雜，所受載荷也很復雜，不可能進行手工分析和計算。本項目利用I- DEAS軟件為研究平臺，以公司已立塔的某型試驗塔機靜力結構分析為基礎，建立了塔機整機有限元模型，對該塔式起重機起重臂臂尖撓度進行了計算，研究上、下支座變形、塔身變形以及起重臂變形對起重臂臂尖撓度的貢獻量，并從實驗上對有限元計算結果的正確性進行了驗證，在此基礎上，分析了影響起重臂臂尖撓度的各個主要因素，提出了控制起重臂臂尖撓度的措施。

　　2 建立塔機的有限元模型

　　2.1 物理模型的組成

　為了便于建立試驗塔機的有限元模型，將其物理模型簡化為主要由：起重臂、塔頂、平衡臂、起重臂拉桿、平衡臂拉桿、回轉塔身、上支座和下支座、以及塔身（包括8個塔身節）組成，該型塔機塔身節有三種，設代號分別為A、B和C，A型為加強塔身節弦桿規格為□135×135×12，內加16mm加強板，B型塔身節弦桿規格為□135×135×12，C型塔身節弦桿規格為□135×1355×10，該塔機塔身節由B和C兩種型號組成，由下至上布置形式為4 (B) 3(C) 1(B)；而由于其它機構的變形對起重臂臂尖撓度的貢獻量很小，所以不予考慮。

　　2.2 模型的網格劃分

　　由于塔機整機部件較多，各部分結構也相差較大，為了便于有限元模型網格的劃分和模型的修改，這里采用裝配有限元的方法來建立塔機整機有限元模型。

　塔機結構絕大部分為桿系結構，可選桿單元和梁單元。腹桿用桿單元也更適合手工計算的習慣，因此塔機的桿系結構采用梁－桿混合單元模型，即主弦桿－梁單元，腹桿－桿單元。如起重臂、塔頂、回轉塔身和塔身節均采用梁－桿混合單元模型，平衡臂拉桿和起重臂拉桿，每根拉桿用一個桿單元表示，而平衡臂的變形對起重臂臂尖撓度的影響很小，因此把其簡化為剛性桿單元。

　　上、下支座是典型的薄板結構，因此把上、下支座劃分為殼單元。對各部件的有限元單元之間進行連接，上支座和下支座之間采用剛性單元進行連接，而對不同類型單元之間，則采用剛性單元進行連接；對起重臂臂根和平衡臂臂根的梁單元進行端點釋放；并調整殼單元的法向；最后進行單元質量檢查。生成塔機整機有限元網格，見圖1。

　　2.3 邊界條件

　 本項目的邊界條件的定義是基于有限單元的，它包括約束集和載荷集。

　　(1)約束集
　　把最下面塔身節的4個主弦下端固支。

　　(2)載荷集
　本項目是研究塔機在吊重的靜力作用下起重臂臂尖的撓度，因此必須計算塔機在不吊重、吊重兩種載荷集下的變形位置，再從塔機的這兩種變形位置求得塔機在吊重作用下的變形量。塔機在這兩種載荷集下均不考慮風載、動載系數和各種慣性力的影響，這里的載荷就只考慮自重和吊重的作用，對于起重臂、塔頂、平衡臂、起重臂拉桿、平衡臂拉桿、回轉塔身、上支座和下支座、以及塔身的自重用重力加速度加載在各個單元上；而對其它機構的重量則簡化為集中載荷作用在物理模型的相應位置生成塔機有限元模型見圖1。

　　不吊重(LOAD SET1)：指塔機上的小車置于臂尖處，吊重為零。

　　吊重(LOAD SET2)：指塔機上的小車在臂尖處吊重1.3t，其它載荷與不吊重相同。

　　參考坐標系定義為：X軸沿起重臂方向向右，且與起重臂下弦桿上表面重合，Z軸沿塔身豎直向上，坐標原點位于塔身的中心線上。

　　3 計算和試驗結果分析

　　對以上塔機有限元模型進行計算，得到整個塔機起重臂臂尖垂直撓度和塔機各部分對起重臂臂尖垂直撓度的貢獻量（表2）。在相同的條件下對塔機進行試驗測試，運用經緯儀測得起重臂臂尖撓度、和塔機各部分的撓度貢獻量的的結果如表2所示，計算和測試結果的相對誤差在9%以內，基本一致，證明以上有限元模型及其計算方法是正確的。計算和測試結果表明（表2）：該塔機在小車在臂尖處吊重時，起重臂臂尖垂直撓度達到783~800mm，主要是由塔機上車和塔身貢獻的，其中塔機上車貢獻量為350mm以上，所占權重超過40%，計算進一步表明：其中塔頂的貢獻量為177mm，權重為22.6%，起重臂及起重臂拉桿的貢獻量為174mm，權重占22.2%；塔身貢獻量為318~346mm，權重也超過了40%；而回轉塔身和上、下支座對起重臂臂尖垂直撓度的貢獻量相對較小,分別只有48和66mm，權重分別也只占6.2%和8.4%，即使這三部分的貢獻量之和也只有104~112mm，權重也只占14%左右,遠小于塔機上車和塔身的貢獻量和權重。

　經過以上計算分析，可以得出以下結論：

　(1)運用以上有限元的方法對塔機起重臂臂尖垂直撓度和各部分的撓度貢獻量進行計算和分析的方法是正確的、可行的。

　(2)該試驗塔機的小車在臂尖處吊重時，臂尖垂直撓度達到783mm，塔身貢獻量318mm，權重占40.6%，是影響起重臂臂尖垂直撓度最主要的因素；其次是塔頂和起重臂及起重臂拉桿，貢獻量分別為177和174 mm，權重分別占22.6%和22.2%；影響最小的是上、下支座和回轉塔身，貢獻量分別為66和48mm，權重分別只占8.4%和6.2%；且起重臂臂尖撓度H與塔身節的數量存在以下近似的線性關系：
　H=465 26.2NA 38NB 43NC
　其中NA、NB、NC為相應型號塔身節的數量，NA NB NC≤16

　降低起重臂臂尖垂直撓度的主要措施是要加強塔身的剛度，另外加強塔頂的剛度也能較有效的降低起重臂臂尖垂直撓度。