塔式起重機結構剛性及動態優化研究

倪孝慶

摘要：塔式起重機廣泛運用于工業與民用建筑中，對國民經濟的發展起著非常大的作用。同時，塔式起重機作為一種機電類特種設備，其安全性、可靠性也一直是各個塔式起重機設計制造使用管理單位關注的重點。本文簡要介紹了國內塔式起重機的發展現狀，重點介紹了在塔式起重機結構剛性方面的研究情況，以及動態優化在塔式起重機中的應用情況。針對目前塔式起重機結構剛度及動態特性方面的特點，分析了典型塔式起重機的結構剛度，提出了一種對塔機進行動態優化設計的思路。

關鍵詞：塔式起重機 結構剛度 動態優化

引言

塔式起重機隸屬于特種設備目錄里的起重機械，是一種回轉式的起重設備。塔式起重機的作業空間大，作業范圍廣，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構件的安裝。隨著房地產行業的蓬勃發展，我國的塔式起重機行業也越來越繁榮，尤其是自主品牌的塔機已經成為了國內塔機市場的主角，在滿足了國內工程需要的情況下，部分塔機也已遠銷國際市場，參與到了世界大型項目的建設中。

1.我國塔式起重機發展概況

我國從1954年試制出第一臺TQ2-6型塔式起重機以來，塔式起重機的自主生產已有超過50年的歷史了。前30年的發展處于緩慢的起步階段，真正快速發展是近20年的事。在80年代初期，我國塔式起重機有了行業組織，有了科研計劃，組織了標準編制，使產品設計開發有章可循，這是塔式起重機近20年發展迅速的重要條件。到目前為止，我國塔式起重機的生產廠家接近400家，年產大大小小的塔機以將近1萬臺，年產值接近30個億，從業人員已達到10萬多人，生產各種規模塔機已有18種之多。在今后的一段時期里，塔式起重機行業仍將處于穩健發展時期。在產品品種方面將向大型化和微小型發面發展；在技術性能方面將向數字化、智能化和機電一體化方向發展；在結構形式方面將會發展一機多用的塔機，如吊重、布料、高空作業集為一體的塔式起重機，要加大力度研究解決高性能、高技術含量、高可靠性的塔機，最大程度的降低塔機事故率。

2. 塔式起重機結構剛性與動態優化

在物理學的定義中，所謂剛性是指兩個物體相碰撞不發生變形的能力，而在工業領域，剛性是指構件在靜力負荷作用下，抵抗變形的能力。具體到起重機行業，GB/T3811-83《起重機設計規范》將起重機的剛性分為靜態剛性和動態剛性，其中靜態剛性是這樣描述的：規定的載荷作用于指定位置時，結構在某一位置處的靜態彈性變形量。標準中亦規定，對于塔式起重機一般不做動態剛性的校核，當用戶或者設計者本身對此有特殊要求時，可進行校核。因此，我們所要重點研究的起重機結構剛性即為起重機的靜態剛性，對于塔式起重機的動態剛性，則用在建立在靜態剛性基礎上的動態優化方法進行分析。

GB/T3811-83《起重機設計規范》對塔式起重機的靜態剛性做了量化的要求：塔式起重機在額定起升載荷的作用下，塔身在臂架連接處的水平靜位移應不大于H/100，H為塔身在臂架連接處據地面或軌面（對附著式塔式起重機應為最高一個附著點）的垂直距離。由塔式起重機靜態剛性的定義及標準要求可知，靜態剛性是塔式起重機金屬結構的一個力學性能，結構剛性的分析，即為起重機金屬結構受力過程的分析，也是起重機金屬結構可靠性分析。

3. 塔式起重機結構剛性分析

塔式起重機工作時會受到基本載荷、附加載荷、特殊載荷和其它載荷等四種載荷的作用，在進行金屬結構分析時，應按塔式起重機的類型、使用環境和作業工況選取可能出現的載荷組合情況。對于金屬結構剛性分析，應選用考慮基本載荷和附加載荷同時作用的情況，它包括塔式起重機在容許的最繁重使用條件下的各種最大載荷，其中包括自重、起升載荷、猛烈啟動或制動產生的慣性載荷、工作狀態下的最大載荷、水平側向載荷等。這些載荷組合作用在塔式起重機上時，吊臂端、前吊點、前后吊點中間、后吊點和靠近根部等五個節點位置為典型受力位置。將組合后的力平均分布到各部件相應的節點上，對塔式起重機進行靜力學分析。當吊重在吊臂端處時，前吊點上弦桿受最大拉應力；當吊重在前吊點處時，后吊點上弦桿受最大拉應力；當吊重在前后吊點中間處時，后吊點上弦桿受最大拉應力；當吊重在后吊點處時，腹桿受最大拉應力；當吊重在靠近根部處時，吊重處的腹桿受最大拉應力。從以上五個典型受力位置的分析中可以看出，當載荷在前后吊點中間點時受力狀態最差，為最危險工況。

4. 基于靜態剛性分析的動態優化方法

塔式起重機的動態剛性對塔式起重機動態特性影響最大的參數，其定義是塔身在水平方向的振動頻率。雖然目前我國的設計標準并不強制要求對動態剛性進行校核，但這是塔式起重機械設計的未來發展方向。基于靜態剛性分析的動態優化方法是指在靜態分析的基礎上，對滿足性能要求的初步設計進行動力學分析，逆向得到結構參數，從而得到一個擁有良好的動、靜態剛性的塔式起重機。

5.總結

塔式起重機的安全性一直是相關設計單位、制造單位、使用單位及監督管理檢驗檢測單位特別關注的問題，如何分析塔式起重機的受力情況以及如何評價塔式起重機的安全狀況是大家共同追求的目標。本文分析了塔式起重機金屬結構的靜態剛度，提出了基于靜態剛性分析的動態優化方法，彌補了塔式起重機安全評價方法理論數據支撐的不足，達到了分析研究塔式起重機剛度的目的，對提高塔式起重機的安全性，增加起重機的可靠性有一定的作用。

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