尖頭式塔式起重機起重臂上翹高度的研究

謝文尚，向蘭珍，楊華平XIE Wen-shang, XIANG Lan-zhen, YANG Hua-ping(三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410600）

尖頭式塔式起重機起重臂上翹高度的研究

謝文尚，向蘭珍，楊華平
XIE Wen-shang, XIANG Lan-zhen, YANG Hua-ping
(三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410600）

[摘 要]尖頭式塔式起重機空載時起重臂預置的上翹高度對變幅小車的工作性能和塔機的安全性能非常重要。通過QTZ80(T6011-6)塔機的實例給出了確定尖頭式塔式起重機起重臂預置上翹高度的一種簡單有效方法，對新產品的開發具有重要的指導意義。

[關鍵詞]尖頭式塔式起重機；起重臂；上翹高度

1 前 言

尖頭式塔式起重機在空載和在最大幅度額定載荷吊載時，起重臂的水平狀態有所不同，前者由于塔身后傾彎矩的影響引起起重臂向上的轉動，后者在塔身的前傾彎矩的作用下起重臂會有下沉的轉動。尖頭式塔式起重機起重臂及拉桿設計過程中，除主要性能滿足要求外，還需考慮預置一定的上翹高度以保證小車的工作性能和安全性能，這一點對塔式起重機的安全使用非常重要。

起重臂預置一定的上翹高度與下列因素有關：①行走軌道基礎不均或固定基礎的不均勻沉降引起的撓度；②相關聯結構件在載荷與自重作用下位移引起的起重臂撓度；③起重臂本身在載荷與自重作用下產生的撓度；④起重臂拉桿本身在載荷與自重作用下伸長而引起的撓度。

設計起重臂的預置上翹高度應遵循一個原則：在最大幅度處起升額定載荷時，從安全的角度考慮，變幅小車不應受到向外側的下滑力，從變幅小車運行平穩性來考慮，小車在最大幅度不應受到向內、外側的下滑力。即在最大幅度處起升額定載荷時，起重臂下弦桿應處于水平或略微上翹的狀態，使塔式起重機工作時變幅小車行走更方便，更安全。

起重臂預置上翹高度h可以根據下面的經驗公式計算得到

單吊點 h=L/(75～82)

雙吊點 h=L/(80～85)

式中 L—塔機的最大工作幅度。

但隨著塔機結構的優化、高強鋼在塔機上的應用，起重臂的撓度越來越大，起重臂臂長也越來越長，該經驗公式已不再適用于現代塔機的設計。若按該經驗公式計算，則預置的上翹高度會不夠，必然導致小車在最大幅度額定吊載時就有向外的下滑力，存在安全隱患。本文給出了確定尖頭式塔式起重機起重臂預置上翹高度一種簡單有效的方法。

2 塔機有限元模型的建立和計算結果

2.1 塔機整機有限元模型的建立和計算結果

塔機各部件結構大部分為桁架結構，選用桿單元和梁單元，回轉總成采用剛性單元，建立塔機整機有限元模型，如圖1所示。塔身底部4個節點全約束，在起重臂最大幅度處（C點）加載1.1t的向下的力。

圖1 塔機有限元模型

對塔機有限元模型進行計算，得到起重臂在最大幅度額定吊載時各點的豎直位移，相對于O點，B點的豎直位移為1 090mm，C點的豎直位移為1 689mm。獨立建立BC段起重臂有限元模型，遠吊點處的3個節點全約束，在臂尖加載1.1t向下的力，經計算得到BC段起重臂在最大幅度額定吊載時自身豎直方向位移為92mm。2.2 上、下支座有限元模型的建立和計算結果

上、下支座均為一個板材焊接成一體的板殼結構，不適合使用經典ANSYS中的桁架結構建模，因此，選用Workbench軟件對其進行實體建模分析，建模時將上、下支座上不受力的構件予以刪除，然后采用六面體對上、下支座進行網格劃分。對于上支座，與回轉支撐連接處的螺栓孔全約束，作用于上支座的彎矩和扭矩以集中力的形式作用于與銷軸孔表面的節點上，上支座以上部分自重以均勻載荷形式加載在銷軸孔表面的節點上；對于下支座，與塔身連接處的節點全約束，作用于下支座的彎矩和扭矩以集中力的形式作用于與回轉支撐連接的螺栓孔圓周節點上，下支座以上部分自重以均布載荷加載在下支座法蘭環表面。對塔式起重機的上、下支座結構進行有限元計算分析，得到其鉸接點相對回轉支撐豎直方向的變形量，取平均值，上支座為1.21mm，下支座為0.87mm。

把回轉支撐看作剛性連接，由于上、下支座與起重臂間的夾角不變，依比例關系得到起重臂臂尖處由于上、下支座的變形而產生的豎直方向的位移

Δy=ΔhRmaxR

式中 Δh—上、下支座接點豎直方向的變形量；

Rmax—起重臂臂尖到回轉中心的距離；

R—上、下支座鉸點到回轉中心的距離。

對于QTZ80(T6011-6)塔機，R上支座為564.5mm，R下支座為668.5mm，最大幅度到回轉中心距離為60 000mm，遠吊點到回轉中心距離為45 057mm，臂根鉸點到回轉中心距離為745mm。由上面的公式計算得到，起重臂臂尖由于上支座變形而產生的豎直方向的位移為129mm，起重臂臂尖由于下支座變形而產生的豎直方向的位移為78mm；起重臂遠吊點處由于上支座變形而產生的豎直方向的位移為97mm，由于下支座變形而產生的豎直方向的位移為59mm。

將上述結果相加即得到QTZ80(T6011-6)塔機整機起重臂B點總的豎直位移為1 246mm，C點總的豎直位移為1 896mm。

3 空載狀態起重臂上翹高度的確定

設計起重臂拉桿時，先將起重臂遠吊點（B點）預置上翹高度為1 246mm（起重臂約上翹1.61°），再結合塔帽計算出起重臂拉桿的理論長度。BC段則通過減短上弦桿預置一個上翹高度，以補償BC段由于自重和額定載荷引起的BC段起重臂自身的下沉變形。若直接將起重臂C點預置上翹高度1 896mm（起重臂約上翹1.83°）設計起重臂拉桿，則在其它工況，會造成變幅小車的爬坡加大，不利于變幅小車的行走。

BC段起重臂可以通過縮短每一節臂上弦桿長度使臂架上翹y，如圖2所示。由于Δx<

圖2 臂架變形補償示意圖

a<

Δx=yab

式中 Δx—上弦桿的縮短值；

a—臂架的高度；

b—臂架的長度。

QTZ80(T6011-6)塔機通過縮短了5m臂架上弦桿4mm和10m臂架上弦桿4mm使BC段起重臂本身預置上翹高度達到92mm，起重臂逐漸地上翹，空載時達到較好的預置上翹效果。

為了空載時減小起重臂的變形，在計算出起重臂拉桿的理論長度后，還需減去空載時起重臂拉桿的伸長量。同時，還需綜合考慮起重臂各組合臂時起重臂拉桿縮短的合理分配，使每種組合起重臂的變形最小。QTZ80(T6011-6)塔機長拉桿縮短21mm，短拉桿縮短3mm，得到了空載時較筆直的起重臂。

4 結 論

本文提出的尖頭式塔式起重機起重臂預置上翹高度的方法，符合現代塔式起重機起重臂及其拉桿的設計方向，能較好地應用于實際產品中，對新產品的開發具有重要的指導作用，具有很好的工程應用價值。

（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TH212;TH213.3

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0031-02

［收稿日期］2014-09-23

Research of spitzer tower crane boom upwarping height