水平臂式塔機頂部支撐形式對起升動載系數的影響

王 強

(貴州交通職業技術學院汽車工程系，貴州貴陽 550008)

0 引言

動載系數法是目前世界上計算塔機動載荷的最主要方法，其通過在靜載的基礎上乘以一個大于1的動載系數來考慮動態效應對塔機結構和機構的影響，其實質仍是一種靜力計算方法。各國標準均使用數個動載系數以考慮塔機在不同工況下的動載情況，其中起升動載系數φ2是動載系數中較為重要的一個系數，其所對應的工況是塔機主要的工作工況，也是振動比較劇烈的工況。

起升動載系數φ2是指起升質量突然離地起升或下降制動時，起升載荷對承載結構和機構產生的附加動載荷作用。目前世界上主要的起重機設計規范均借鑒了德國的DIN標準，人為的規定了起升動載系數φ2的取值方法，如式(1)所示:

其中，f為φ2的取值函數，依各國標準的不同而稍有不同，但都確定為載荷起升速度v與塔機工作級別c的函數。

如德國于1984年頒布的德國工業標準DIN15018起重機承載鋼結構計算原則中起升動載系數φ2的計算式如表1所示。

表1 德國DIN15018標準中φ2取值表

這種確定起升動載系數φ2的方法雖然為塔機的實用計算提供了方便、易于推廣普及，但同時也帶來了一系列問題:

1)各種標準雖然都將起重機劃分了不同的起升等級(工作級別)，并規定按起升等級計算起升動載系數，但標準中對起重機等級的劃分原則和劃分方法敘述的較為籠統，在實際操作中存在一定困難;2)塔機形式復雜、結構多樣，在沒有對不同塔機結構對起升動載系數有何影響進行深入研究的情況下，僅憑借經驗將起升動載系數確定為起升速度和工作級別的函數顯然存在片面性，缺乏說明力;3)近年來，隨著技術的進步和分析手段的提高，出現了多種新型塔機，這些塔機的動載計算是否也可以沿用以往的計算方法值得探討。

可見，對起升動載系數φ2的確定還有待進行更深入的研究，而了解其與塔機結構具體形式之間的關系是一項很有實際意義的工作，它將為塔機動載荷的合理計算奠定基礎。

1 塔機動力特性分析

塔機結構型式的不同主要表現在頂部支承形式(包括塔帽和平衡臂)的不同上，目前，廣泛采用的有兩種頂部支承形式:塔帽式和撐桿式，而平頭式塔機因其結構的特殊性應作為特例單獨研究。QTZ1250型塔機的這兩種頂部支承形式的結構簡圖如圖1所示。從圖中可以看出，兩者的塔身和吊臂均采用了相同的幾何形式和參數，不同的僅是塔帽和平衡臂。而且，兩者的總質量和起升特性曲線也基本相同。

首先使用SAP84軟件對這兩種塔機進行特征值分析，以了解它們的動力學基本特性，即固有頻率和相應振型。為了簡化分析采用了如下計算假定:

1)底架和基礎相連，與塔身、吊臂等梁桿系統相比，其剛度要大得多，所以可認為是剛性固定的;2)忽略結構阻尼的影響，認為整個振動系統僅是彈性—質量系統，由于阻尼對結構振動起削弱作用，所以這種簡化是偏于保守的;3)由于要求塔機必需工作在彈性范圍內、不能進入塑性階段，所以可以忽略各種非線性因素，認為振動是線性振動。

通過計算得到的兩者前4階振型分別如圖2和圖3所示。

2 起升動載系數計算

由于載荷下降制動工況可以定性的反映起升動載系數φ2的取值情況，所以，本文對這兩種頂部支撐形式的QTZ1250型塔機的載荷下降制動工況進行了實際的有限元動力分析，該型塔機的下降制動相關參數如下:制動時間:2 s;額定下降速度:1 m/s;臂端最大起重量:1 900 kg(包括運行小車和吊具質量)。

圖1 QTZ1250型塔機結構簡圖

圖2 QTZ1250型撐桿式塔機振型圖

圖3 QTZ1250型塔帽式塔機振型圖

同樣出于簡化計算的考慮，采用了如下計算假定:

1)結構的振動不對原動機和傳動機構的運動產生影響，同時，將原動機振動對結構的影響也忽略不計;2)在載荷下降制動過程中，由于最大動力響應出現在前幾個振動周期內，載荷下降的距離與鋼絲繩總長相比較小，故忽略鋼絲繩懸掛長度的改變。

此處，由于在實際工作時，塔機可能在任意高度下進行下降制動操作。因此，應選擇多個鋼絲繩不同長度情況進行比較分析，以考查吊重處于不同高度(即鋼絲繩取不同長度)時對起升動載系數的影響。

計算得到了下降制動工況下吊重處于不同高度時的起升動載系數φ2，其變化曲線如圖4所示。

圖4 QTZ1250型塔機不同高度下的起升動載系數曲線

3 結語

分析上述計算結果不難得到如下結論:1)由圖2，圖3可見，對該型塔機的兩種不同頂部支承形式而言，結構的前四階振型基本相同。其原因不難解釋:因為塔機的前幾階振型的主要影響因素是塔身的剛度及整機的質量分布，由于這兩種頂部支承形式采用了相同的塔身、質量分布也相近，最終使得兩者的前幾階振型相差很小。2)圖4表明，在相同動載荷的作用下，不同頂部支承形式對塔機的起升動載系數影響不大。3)對圖4中各圖進行比較，發現吊重在不同高度下(即鋼絲繩長度不同時)起升動載系數的變化規律大致相同，具體取值也相近，這是符合實際情況的。因為在下降制動工況下，外激勵處在與鋼絲繩平行的鉛直方向上，而且起升動載系數考慮的是鋼絲繩的軸力，這些只與鋼絲繩的軸向剛度有關，所以鋼絲繩長短對起升動載系數影響較小。

［1］ 夏擁軍，陸念力，羅 冰.關于水平臂式塔機起升動載系數φ2的一點討論［J］.工程機械，2005(1):32-36.

［2］ 夏擁軍，羅 冰，陸念力.起重機載荷起升離地階段的兩種動力學模型探討［J］.建筑機械，2006(10):84-87.

［3］ 胡宗武，閻以誦.起重機動力學［M］.北京:機械工業出版社，1988.