动臂式塔机顶升结构的系统建模与计算分析

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1、国家“十一五”科技项目Nationaleleventhfive-yearplan动臂式塔机顶升结构的系统建模与计算分析Systemmodelingandanalysisofself-climbingstructureoftheluffing-jibtowercrane牛　坤，陆念力，兰　朋NIUKun,LUNian-li,LANPeng（哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)[摘要]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，

2、进行了实例计算，验证了本文结论的正确性。[关键词]塔式起重机；动臂式；顶升结构；系统建模；有限单元法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，顶升油图1　顶升套架受力简图缸为顶升过程提供顶升动力，滚轮安装在顶升套1－塔身；2－顶升油缸；3－上部结构；4－顶升套架；5、６－滚轮架上，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、

3、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图2　顶升套架分类荷载受力简图要考虑因素，辅以加载吊重、合理设计配重等方定义F上为上部轮组轮压F1、F3之和，F下为下部轮法可实现轮压分配最佳。组轮压F2、F4之和。F上和F下方向以向右为正，从轮压计算可采取迭加法，将垂直载荷N、侧滚轮力的方向可判定哪一侧滚轮受力。向载荷Fx、弯矩

4、M分别加载求轮压，如图2所示。1）垂直载荷N作用于套架上　由图3知此时建筑机械化　2010(10)41Nationaleleventhfive-yearplan国家“十一五”科技项目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)图4　滚轮力随吊臂角度变化曲线滚轮合力F由上下吊臂角度变化时，上、下滚轮力呈现相反的两排滚轮力共同作用产变化趋势，并在正负值间变化，两曲线相交处上生，由平衡方程可求得图3　垂直载荷单独下轮压均较小。为使结

5、构受力较为理想，应将轮作用时受力简图上、下滚轮力为：压值变化幅度控制在较小范围内，且使上下轮压F上＝(1－l1/l)Ntanj，F下＝N(tanj)l1/l(2)均衡或轮压相对较小。以上下轮压相等为目标的2）水平载荷Fx作用于套架上　见图2b，此时平衡方程为：受力滚轮为滚轮1、2，上下滚轮力为：(l－2m)Ntanj＋2N[e(q)－c]－2h(q)Fx(q)=0(8)F上＝F下＝-Fx/2(3)除调整吊臂角度外，还可通过加载一定调整3）弯矩M作用于套架上　见图2c，假设弯矩使吊重，达到上部载荷的平衡，实现上下轮组轮压结构后倾为正，则滚轮2、3受力，上下滚轮力为：相等

6、。此时，上部结构自重N是关于吊重Q的函F上＝－F下＝M/l(4)数，含有吊重Q、吊臂角度q的平衡方程为：式中弯矩M由垂直载荷N、水平载荷Fx引起，故:(l－2m)N(Q)tanj＋2N(Q)[e(q,Q)－c](9)M＝MN－Mx＝Ne－Fxh(5)－2h(q)Fx(q)＝0综合以上三种情况，可得上下滚轮力为：3　计算实例F上1(l－l1)Ntanj－Fxl/2＋M＝(6)F下ll1Ntanj－Fxl/2－M3.1　算例1并注意到l1＝m＋c/tanj，整理后可得：以某动臂式塔机为例进行实例分析。上下F上1(l－m)Ntanj＋N(e－c)-(h＋l/2)Fx滚轮间距

7、l＝576cm，油缸支点距上滚轮距离＝(7)F下lmNtanj－N(e－c)＋(h－l/2)Fxm＝30cm。将数据代入式(8)，解得顶升高度式中　c—套架上油缸支承点到塔机回转中心距离;为290cm时，该塔机顶升工况最佳吊臂角度为m—上滚轮与油缸在套架上支承点垂直q≈32.6087°，对应幅度为lb≈51.61m。应用有限　　　　间距。元软件SAP84对该动臂式塔机进行顶升工况结构通过调节相关参数，使轮压分配达到理想数受力分析，所建模型如图5所示。值，即可实现顶升结构受力良好的目的。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