塔式起重機承座環梁的結構分析

姚俊威，張 騫，趙小偉，石小飛，曾 光

(華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450046)

0 引言

塔式起重機可實現起升、變幅、回轉等動作。回轉動作借助回轉軸承實現，回轉軸承上端連接機臺，下端連接承座[1]。承座環梁部分的計算很難通過手算來完成，本文借助于三維軟件Creo建立模型，導入ANSYS/Workbench進行分析，能很好地解決承座環梁的結構計算問題[2]。

1 承座環梁的工作原理

承座環梁上端通過回轉軸承與機臺連接，下端通過4個支腿與塔身連接。塔機在回轉工況時，承座及其以下部件不動，通過回轉軸承轉動來帶動上部的機臺轉動，機臺上部的其他部件隨之轉動，從而完成回轉動作。承座環梁的主、俯視圖如圖1所示。

圖1 承座環梁主、俯視圖

2 載荷分析

承座主要承受上部傳來的重力、不平衡力矩及塔機作業時產生的扭矩。重力是上部結構自身及吊重的重量；不平衡力矩主要是起重臂和平衡臂對下部產生的力矩不同所致；扭矩主要源自于塔機的回轉作業。承座環梁受力如圖2所示。圖2中，N為向上拉力，M為彎矩，Fx為向下壓力，T為扭矩。

3 有限元分析

3.1 建立模型

借助于三維軟件Creo按照1∶1尺寸建立承座環梁模型，如圖3所示。

3.2 劃分網格

由于Creo和軟件ANSYS/Workbench可實現無縫連接，因此本文將承座環梁的三維模型導入ANSYS/Workbench中劃分網格，網格劃分如圖4所示。

圖2 承座環梁受力示意圖

圖3承座環梁三維模型圖4承座環梁劃分網格

3.3 施加約束

此處對承座環梁上部鋼板施加約束，約束全部六個自由度，如圖5所示。

現以某塔機為例，承座環梁以上部分重量為560 000 kg，彎矩28 500 000 Nm，扭矩1 650 000 Nm，材料選Q345。對模型施加載荷，將彎矩和扭矩轉化成等效力偶，轉化得到的載荷施加于承座環梁的各個耳孔上。承座環梁施加載荷如圖6所示。

4 結果分析

計算得到承座環梁的應力視圖、總體應力視圖及危險部位局部應力視圖如圖7～圖10所示。

從圖7中可以看出，最大應力出現在環梁上端的筋板與上部鋼板連接處，該點局部最大應力為317.16 MPa，超過Q345許用應力257 MPa，未超過屈服極限345 MPa。通過圖8可以看出此點應力很大，附近區域的應力急劇減小，此為應力集中現象。

圖5承座環梁施加約束圖6施加載荷

圖7 承座環梁整體等效應力圖

圖8 等效應力最大處的局部應力分布

從圖9可以看出，該區域最大應力為228.66 MPa，小于Q345的許用應力257 MPa；從圖10可以看出，此區域最大應力為263.52 MPa，大于Q345的許用應力257 MPa，未超過屈服極限345 MPa，該區域局部最大應力點附近區域應力也急劇減小，說明此處也出現了應力集中現象。

該型塔式起重機已投入使用4年，運行情況良好，承座所有部分的應力均在合理范圍內，說明極小區域內的應力集中情況并未對結構產生不良影響。

圖9 耳板上端附近區域的局部應力分布

圖10 耳板下端附近區域的應力分布

5 結論

(1) 分析了塔式起重機承座環梁的工作原理及載荷。

(2) 根據塔式起重機承座環梁的工作特點和受力特點，設計出受力合理、外形美觀的承座環梁。

(3) 結合塔式起重機承座環梁的受力特點，運用Creo建立模型，借助于有限元分析軟件ANSYS/Workbench進行計算，為承座環梁的結構分析提供了一種方法。