塔機結(jié)構(gòu)安全分析模型的建立

翟海洋 張東

【摘 要】塔機是一種發(fā)揮起重空間運輸能力的特種設(shè)備，是起重機門類中非常重要的一類機械。論文以塔機為研究對象，根據(jù)塔機關(guān)鍵部位的受力及變形特點，對塔機結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化，建立了塔機分析模型，可為塔機的安全設(shè)計提供參考。

【Abstract】Tower crane is a special equipment that plays the role of lifting space transportation capacity， and it is a very important kind of machinery in crane category. Taking the tower crane as the research object， and according to the stress and deformation characteristics of the key part of the tower crane， the structure of the tower crane is properly simplified， and the analysis mode of tower crane is established， which can provide a reference for the safety design of the tower crane.

【關(guān)鍵詞】塔機；結(jié)構(gòu)；模型；安全

【Keywords】tower crane； structure； mode； safety

【中圖分類號】O313 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）07-0156-02

1 引言

塔機具有優(yōu)異的起重運輸能力，是一種重要的工程機械，在土木建筑領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。重物起升、起重臂回轉(zhuǎn)和起重臂變幅是塔機進行起重工作的基本操作，因此，塔機的起升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和變幅機構(gòu)是塔機結(jié)構(gòu)的重要組成部分。起升機構(gòu)是塔機對物品進行升降運作的基本構(gòu)成，變幅機構(gòu)主要用于重物的水平移動，回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要用于重物在作業(yè)空間的轉(zhuǎn)動，保證塔機工作的覆蓋面。這些機構(gòu)的性能及安全特性對塔機的正常工作有著非常重要的影響。例如，起升機構(gòu)往往要承受較重的載荷，因此，對其強度和穩(wěn)定性能有較高要求。如果提升的重物過重，超過起升機構(gòu)的承重極限，起升機構(gòu)就會發(fā)生斷裂破壞。另外，在提升重物的時候，如果在起始階段加速過快，起重臂會在較短的時間內(nèi)承受較大的沖擊載荷，沖擊載荷的動力學(xué)效應(yīng)會對塔機的整體穩(wěn)定性造成不利影響，常常誘發(fā)安全事故[1]。因此，塔機在提升重物的時候，應(yīng)在起始階段適當(dāng)控制起升速度，降低載荷對塔機的沖擊效應(yīng)，從而提高塔機運行的穩(wěn)定性，降低結(jié)構(gòu)安全事故發(fā)生的概率。

2 塔機承受的載荷

塔機在工作過程中，往往要承受多種力的作用，如起升載荷、塔機自身的重量、風(fēng)的作用以及慣性力等。

起升載荷是指塔機提升重物過程中所承受的載荷，包括起升重量和起重小車的重量等。在工程分析建模時，通常用加在起重臂相應(yīng)位置處的集中力來表示。

塔機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，考慮到塔機的高空作業(yè)特點，塔機自身重量對塔機安全的影響不容易忽視。但是，進行工程分析時，常常需要對結(jié)構(gòu)進行簡化，在建模過程中需要忽略塔機的某些局部結(jié)構(gòu)。這時，為了計入被簡化結(jié)構(gòu)自重的影響，應(yīng)在相應(yīng)的位置施加等效的力或用質(zhì)量單元代替。

塔機是在高空作業(yè)。在高空作業(yè)環(huán)境下，較小的風(fēng)速也會造成較大的影響。因此，風(fēng)載荷對塔機的安全性能也有較大影響。在對塔機進行安全分析的時候，需要考慮塔機設(shè)計標準中規(guī)定的風(fēng)載荷。風(fēng)載荷計算公式如下：

Fw=CwPwA （1）

其中，F(xiàn)w——作用在塔機結(jié)構(gòu)上的風(fēng)載荷（N）；

Cw——風(fēng)力系數(shù)；

Pw—塔機工作環(huán)境下的計算風(fēng)壓（N/m2）；

A—塔機垂直于風(fēng)向的等效迎風(fēng)面積（m2）。

3 分析模型的建立

對塔機結(jié)構(gòu)的安全性能進行分析時，模型建立的合理與否對分析結(jié)果有很大影響。塔機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果不進行簡化，就無法進行工程分析，因此，應(yīng)該對不影響塔機力學(xué)特性但幾何形狀又比較復(fù)雜的局部機構(gòu)進行簡化處理。但是，如果模型簡化過多，就會導(dǎo)致分析結(jié)果不合理，無法應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐[2]。對塔機結(jié)構(gòu)進行合理簡化是對其進行安全分析的關(guān)鍵。塔機結(jié)構(gòu)簡化應(yīng)遵循以下原則：簡化后的模型不應(yīng)改變塔機的力學(xué)特征；簡化后的模型不應(yīng)與原模型差別過大；約束與外部載荷應(yīng)與實際情況一致。

基于以上原則，從下面幾個方面入手對塔機模型進行簡化。

①旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的簡化。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)幾何形狀復(fù)雜，建模時應(yīng)該進行簡化?？紤]到旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的尺寸特點和穩(wěn)定性能，將旋轉(zhuǎn)機構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)代替；同時考慮到旋轉(zhuǎn)機構(gòu)重量較大，不能忽略，于是將旋轉(zhuǎn)機構(gòu)本身的重量加在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與塔身接觸的相應(yīng)位置；

②附屬機構(gòu)的簡化。塔機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括眾多附屬機構(gòu)，但這些機構(gòu)對塔機結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能沒有什么影響，建模過程中不予考慮。

③爬升架的簡化。爬升架主要起到升降塔高的作用，在正常工作過程中，塔高不發(fā)生變化，爬升架不起任何作用，因此，建模時省略爬升架。但是，爬升架的重量對塔機的影響不應(yīng)忽略，應(yīng)將其重量加在與塔身接觸的相應(yīng)位置；

④司機室的簡化。司機室只是用于工作人員操縱塔機，除了其自身重量外，對塔機的結(jié)構(gòu)分析沒有什么影響，因此，建模時將其忽略，同時，將其重量施加于其與塔機接觸的相應(yīng)位置；

⑤配重和平衡臂附屬部分的簡化。建模時這些部分直接忽略，用質(zhì)量單元代替配重，也只考慮平衡臂附屬機構(gòu)的重量。

⑥塔機與地面接觸部分施加固定位移約束；

⑦拉索的簡化。起重臂和平衡臂的拉索只受到軸向作用力，因此可以將其簡化為桿件。以下各圖是塔機部分結(jié)構(gòu)的簡化模型。

圖1是塔機標準節(jié)；圖2是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；圖3是平衡臂。

基于上面的簡化結(jié)果，根據(jù)塔機幾何尺寸，確定位置坐標，創(chuàng)建關(guān)鍵節(jié)點，并通過節(jié)點將它們相互連接起來，從而可以得到塔機的分析模型，如圖4所示。

4 結(jié)論

本文在對塔機功能及特點進行分析的基礎(chǔ)上，引入合理的假設(shè)并進行必要簡化，建立了對塔機結(jié)構(gòu)進行安全分析的簡化模型，為塔機的安全設(shè)計提供參考。

【參考文獻】

【1】徐建標，張家明.建筑起重機械安全技術(shù)與管理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

【2】朱森林.塔式起重機使用技術(shù)及高空拆除方法[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.