塔機(jī)結(jié)構(gòu)安全分析模型的建立

翟海洋，張東

（河南省南陽(yáng)市第五中學(xué)，河南 南陽(yáng) 473000）

1 引言

塔機(jī)具有優(yōu)異的起重運(yùn)輸能力，是一種重要的工程機(jī)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(jī)進(jìn)行起重工作的基本操作，因此，塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)是塔機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。起升機(jī)構(gòu)是塔機(jī)對(duì)物品進(jìn)行升降運(yùn)作的基本構(gòu)成，變幅機(jī)構(gòu)主要用于重物的水平移動(dòng)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于重物在作業(yè)空間的轉(zhuǎn)動(dòng)，保證塔機(jī)工作的覆蓋面。這些機(jī)構(gòu)的性能及安全特性對(duì)塔機(jī)的正常工作有著非常重要的影響。例如，起升機(jī)構(gòu)往往要承受較重的載荷，因此，對(duì)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性能有較高要求。如果提升的重物過(guò)重，超過(guò)起升機(jī)構(gòu)的承重極限，起升機(jī)構(gòu)就會(huì)發(fā)生斷裂破壞。另外，在提升重物的時(shí)候，如果在起始階段加速過(guò)快，起重臂會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)承受較大的沖擊載荷，沖擊載荷的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)對(duì)塔機(jī)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(jī)在提升重物的時(shí)候，應(yīng)在起始階段適當(dāng)控制起升速度，降低載荷對(duì)塔機(jī)的沖擊效應(yīng)，從而提高塔機(jī)運(yùn)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(jī)承受的載荷

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

起升載荷是指塔機(jī)提升重物過(guò)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(shí)，通常用加在起重臂相應(yīng)位置處的集中力來(lái)表示。

塔機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，考慮到塔機(jī)的高空作業(yè)特點(diǎn)，塔機(jī)自身重量對(duì)塔機(jī)安全的影響不容易忽視。但是，進(jìn)行工程分析時(shí)，常常需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在建模過(guò)程中需要忽略塔機(jī)的某些局部結(jié)構(gòu)。這時(shí)，為了計(jì)入被簡(jiǎn)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(jī)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(huì)造成較大的影響。因此，風(fēng)載荷對(duì)塔機(jī)的安全性能也有較大影響。在對(duì)塔機(jī)進(jìn)行安全分析的時(shí)候，需要考慮塔機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的風(fēng)載荷。風(fēng)載荷計(jì)算公式如下：

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

Cw——風(fēng)力系數(shù)；

Pw—塔機(jī)工作環(huán)境下的計(jì)算風(fēng)壓（N/m2）；

A—塔機(jī)垂直于風(fēng)向的等效迎風(fēng)面積（m2）。

3 分析模型的建立

對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行分析時(shí)，模型建立的合理與否對(duì)分析結(jié)果有很大影響。塔機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果不進(jìn)行簡(jiǎn)化，就無(wú)法進(jìn)行工程分析，因此，應(yīng)該對(duì)不影響塔機(jī)力學(xué)特性但幾何形狀又比較復(fù)雜的局部機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。但是，如果模型簡(jiǎn)化過(guò)多，就會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果不合理，無(wú)法應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐[2]。對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化是對(duì)其進(jìn)行安全分析的關(guān)鍵。塔機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化應(yīng)遵循以下原則：簡(jiǎn)化后的模型不應(yīng)改變塔機(jī)的力學(xué)特征；簡(jiǎn)化后的模型不應(yīng)與原模型差別過(guò)大；約束與外部載荷應(yīng)與實(shí)際情況一致。

基于以上原則，從下面幾個(gè)方面入手對(duì)塔機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

①旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)幾何形狀復(fù)雜，建模時(shí)應(yīng)該進(jìn)行簡(jiǎn)化。考慮到旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的尺寸特點(diǎn)和穩(wěn)定性能，將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)代替；同時(shí)考慮到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)重量較大，不能忽略，于是將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)本身的重量加在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與塔身接觸的相應(yīng)位置；

②附屬機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化。塔機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括眾多附屬機(jī)構(gòu)，但這些機(jī)構(gòu)對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能沒有什么影響，建模過(guò)程中不予考慮。

③爬升架的簡(jiǎn)化。爬升架主要起到升降塔高的作用，在正常工作過(guò)程中，塔高不發(fā)生變化，爬升架不起任何作用，因此，建模時(shí)省略爬升架。但是，爬升架的重量對(duì)塔機(jī)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(jī)室的簡(jiǎn)化。司機(jī)室只是用于工作人員操縱塔機(jī)，除了其自身重量外，對(duì)塔機(jī)的結(jié)構(gòu)分析沒有什么影響，因此，建模時(shí)將其忽略，同時(shí)，將其重量施加于其與塔機(jī)接觸的相應(yīng)位置；

⑤配重和平衡臂附屬部分的簡(jiǎn)化。建模時(shí)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(jī)構(gòu)的重量。

⑥塔機(jī)與地面接觸部分施加固定位移約束；

⑦拉索的簡(jiǎn)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(jiǎn)化為桿件。以下各圖是塔機(jī)部分結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型。

圖1是塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)；圖2是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；圖3是平衡臂。

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

圖1 塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖3 平衡臂

圖4 塔機(jī)分析模型

4 結(jié)論

本文在對(duì)塔機(jī)功能及特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，引入合理的假設(shè)并進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，建立了對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析的簡(jiǎn)化模型，為塔機(jī)的安全設(shè)計(jì)提供參考。