塔吊的塔身结构设计方法的比较加热器

塔吊的塔身结构设计方法的比较

塔吊的塔身结构设计方法的比较 2011年12月04日 来源： 金属结构是塔式起重机的重要组成部分，一般情况下，金属结构自重占塔机整机总重量的一半以上，塔机金属结构的合理设计，对塔机减轻自重、提高塔机性能有非常重要的意义。塔身结构按构造可分为格构式和实腹式两种；按受力特点分为以承受轴向力为主的旋转塔身和受压弯扭转作用的不旋转塔身。

无论设计哪种型式的塔身，都必须计算其强度、刚度和稳定性等。目前应用较多的是格构式，

其计算可以采用平面静力方法或空间杆系有限元方法来完成。以最大起重量20t、最大工作幅度70m、臂端最大起重量5t 的塔机塔身设计为例，分别采用平面分析方法和有限元分析方法进行设计分析、比较两种设计方法的不同和有限元分析法的优越性。

1塔身设计思路

无论是采用平面静力分析的方法，还是采用空间杆系有限元分析方法进行设计计算，都要考虑塔身结构的确定和塔身受力分析这两个难题。

首先对塔身结构进行分析，塔身的结构设计与塔机的类型和所采用的顶升方式有关，同时还要考虑塔身结构中是否有基础节、加重节、加强节或过渡节。其次是塔身的受力分析，塔身受力分工作和非工作两种状态。塔身上的载荷有：塔身自重，上部臂架和平衡臂上的各种载荷对塔身产生的作用力；塔机运行、回转机构起制动时，由塔身质量产生的水平惯性载荷及作用于塔身上的风载荷等。塔身结构设计时，以上各种载荷要按最不利的载荷位置和载荷组合进行计算，作为塔身计算的基本依据。一般取最不利工况进行计算－工作状态变幅小车在最大幅度时，非工作状态主要是计算最大允许风压产生的风载荷作用。

2　平面静力分析

采用平面静力分析时，在分析塔身的4 个最不利的工况中，不能每一种工况都对塔身的所有

杆件进行设计分析，一般是根据经验，一种工况下对应设计计算一种或两种塔身杆件。

2.1　塔身主弦杆的校核

2.1.1　技术参数

1）工况　吊臂位于塔身横截面的对角线上；

塔机位于行走和回转的启、制动状态；风向平行于吊臂的纵向中心线，并由配重方向吹向吊臂方向；最大起重量为20 000kg 及其所在的工作幅度为22.4m；材料为Q235、Q345 和16Mn。

2）自重　下回转支座及其以上自重(不包括吊重)GD ＝ 950 000N，下回转支座及其以上弯矩( 不包括风载和惯性产生的弯矩) M D ＝950 000Nm，内塔节的自重GN ＝ 114 800N，标准节自重GB ＝ 7 0 0 0 0 N ，顶升机构自重GS ＝52 530N，吊臂自重GBJ ＝ 196 000N 和平衡臂的自重(含配重)Gp ＝430 000N。

3）运动系数　小车加速度ax ＝ 0.5m/s2，回转转数n ＝0.6r/min，回转加速度ah ＝ 0.01 和大车行走加速度ad ＝ 0.07m/s2。

4）风载　计算得内塔节的风载Fw ＝2 740N，标准节所受的风载Fwb ＝ 2 740N，配重的风载Fwp＝ 1 542N，塔顶撑杆的风载Fwc ＝ 866N，司机室的风载Fws ＝ 960N 和吊重的风载Fwz ＝ 6 000N。

5）行走惯性力　回转支座及其以上部分(包括吊重)的行走惯性力HD ＝Gaj/g， 其中，G为回转支座及其以上部分的重力，j 为行走惯性力计算的载荷系数，计算得HD ＝8 200N，内塔节惯性力HN ＝ 820N，标准节惯性力HB ＝ 500N。

6）整个塔身承受的轴向力　NZ ＝GD ＋GN＋nGB ＋ GS ＋ Q ＝ 2 157 000N，其中n 为标准节的个数。

7）对塔身根部的弯矩　M总＝MD ＋M惯力＋M风力＋M离心力= 6 132 067Nm。

2.1.2　对标准节主弦杆的校核

单根主弦杆受力Nmax ＝ NZ/ n ＋ M总/ L ＝2 345 000N，其中n 为标准节的主弦杆的个数，L为标准节截面的对角线的长度。

主弦杆的稳定系数w ＝ 0.967，主弦杆的应力s ＝Nmax/(wA)＝ 165.7MPa ＜[s]，满足条件。

2.1.3　内塔节主弦杆的校核

同标准节主弦杆的校核，其中的M 总＝3 403 000Nm 为对内塔节根部的弯矩，且L ＝ 3m

为内塔节截面的对角线的长度。

2.1.4　连接接头的强度校核

标准节之间的连接接头最大应力P ＝ Nmax ＝2 345 000N，再求出最小断面面积A＝ 91cm2，最大应力s ＝ 157.7MPa，并进行校核。

2.1.5　标准节之间连接销轴的强度校核

销轴的最大剪力P ＝ Nmax/2 ＝ 1 172 500N，受力面积A ＝ 28.2cm2，许用剪应力[t]＝ 387.7MPa。剪应力t ＝ P/2A ＝ 208.7MPa<[t]，满足条件。

2.2　塔身腹杆的校核

2.2.1　技术参数

1）工况　吊臂位于塔身横截面的对角线上(即与轨道夹角成45°);塔机位于回转的启、制动状态；风向与回转方向一致；最大起重量为200 000N 及其所在的工作幅度为22.4m。

2）风载　每节吊臂的风载Fwb ＝ 3 212N，吊重风载Fwz ＝6 000N，配重块的风载Fwg ＝2 062N，平衡臂风载Fwp ＝ 34 500N 和起升机构风载Fwq ＝850N 。

3）行走惯性力　配重块的行走惯性力Hpz ＝6 270N,起升机构的行走惯性力Hq ＝ 200N，平横臂的行走惯性力Hp＝1 940N，每节吊臂的行走惯性力Hn ＝ 171.5N、383N、628.5N、688.5N、906N、922.8N、1 009.6N、196N，短拉杆行走惯性力Hdl ＝ 96N，长拉杆行走惯性力Hcl ＝920N，变幅机构行走惯性力Hbj ＝ 98N，吊重的行走惯性力Hdz ＝ 4.8N。

4）整机扭矩　M总=MF+Mg ＝ 693 650Nm ， 其中风载的扭矩MF ＝ 507 330Nm，行走惯性力的扭矩Mg ＝ 186 320Nm。

5 ）求内塔节腹杆受力　应用库德里亚切夫计算法，求出内塔节的水平腹杆以及斜腹杆的受力，T ＝ 161 300N。

2.2.2　内塔节主弦杆的校核

腹杆的稳定系数w＝0.931，内塔节腹杆s1＝N1max/(wA)＝ 126.8MPa ＜[s]，满足条件。

标准节腹杆s2 ＝ N2max/ (wA)＝ 72.8MPa ＜[s]，满足条件。

2.3　非工作状态下塔身主弦杆的校核

2.3.1　工况

吊臂位于塔身横截面的对角线上； 风向平行于吊臂的纵向中心线，并由配重方向吹向吊臂方向，风载为1 100Pa。

2.3.2　校核内塔节主弦杆的强度

内塔节风载Fwn ＝ 14 630N，配重风载Hwp ＝6785N，塔顶撑杆风载Hwc ＝ 2200N，司机室风载H ws ＝ 4224 N 。内塔节受的总轴向力Nz ＝1120000 N ，对内塔节根部的弯矩M 总＝3 500 000Nm，内塔节主弦杆的受力及应力Nmax＝1 446 000N，s ＝ 126.2MPa ＜[s]，满足条件。

2.3.3　校核标准节主弦杆的强度

每节标准节风载FWB ＝ 7 600N，标准节受的总轴向力Nz= 1 960 000N，对标准节根部的弯矩M总＝8 785 650Nm，标准节主弦杆的受力以及应力Nmax ＝ 3 000 000N，s ＝ 250MPa ＜[s]，满足条件。

2.4　塔身疲劳的校核

2.4.1　技术参数

吊臂位于塔身横截面的对角线上；塔机位于回转的启、制动状态；不考虑风载；整个塔身受的轴向力Nz ＝2157000N，对塔身根部的弯矩 M总＝ 3397000Nm。

2.4.2　最大应力值

1）单支主杆受力

N=Nz/n±M总/L＝2157000/4±3397000/3.5 其中，正的为Nmax，负的为Nmin。

2）疲劳应力循环特性

Х＝σmin/σmax ＝ -0.287

3）疲劳许用应力值

3　有限元法分析

利用先进的有限元分析软件设计计算是通过系统的人机界面对话，对目标塔机的塔身进行必要参数的输入，对于不同型式的塔身，将要进入设计的人机界面也是不同的，设计最后生成一个以固定格式和名称存在的数据文件。基于有限元法的塔机设计计算系统，塔身设计模块的设计计算过程如下。

1）通过主界面进入各个子系统，塔身设计是在进入主界面，并建立或打开了一个工程后开始设计的，要先进入总体结构设计模块，对塔机的总体参数进行设计，完成塔机主要总体参数的输入、选择塔机型式、选择塔身型式等。

2 ）首先要对这种结构塔身的设计初参数进行输入。选择好塔身的结构型式后，塔身以后的设计过程便确定下来，不同的结构型式，塔身设计初参数有不同的参数输入。

3）塔身的结构参数设计如图3，塔身结构型式多种多样，多种结构部分参数的输入，在系统中是通过几个界面完成的，塔身结构设计涉及到的设计界面主要有：塔身标准节设计、塔身基础节设计(加强节、重节)、附着框架设计、附着尺寸设计、塔身过渡节设计、塔身内塔节设计等。

4) 塔身结构杆件参数设计完成之后，进入塔身设计的受力分析阶段如图4 ，界面参数是由塔机的塔顶负荷计算模块传递的，如果特殊情况下需要改变其中的一个或几个参数，可以点击图中的“参数修改”按钮。当点击“生成载荷文本”按钮后，系统会自动生成一个以固定格式和固定名称以及固定路径的数据文件，主要是为分析软件所建立的塔身模型提供加载荷条件的，给出塔身的4 种工况下不同的载荷，为塔身的强度、刚度、稳定性的校核提供原始数据。

5）塔身结构的初参数设计完成后，浏览设计过程参数，生成参数设计过程说明书，用于纯数据文本的导出和下一次设计相同数据导入的数据文件，为软件分析服务的固定格式、名称、路径的数据流文件等3 个系统文件。

6）系统自动调用分析软件使其进入后台执行，完成塔身的有限元分析，自动退出分析软件并给出结束信息提示有限元分析完成，即可进入下一步的操作，对有限元分析后的应力结果和数据，可为塔机的其它部分设计提供必要的塔身参数。在返回应力结果和数据结果同时，还有塔身设计分析的具体有限元单元的分布图，使设计结果更加直观。

7）设计系统的有限元分析结果分4种情况讨论，并可通过结果数据的查询来判断塔身所有杆件的强度、刚度、稳定性等是否满足要求条件，再根据不同的需要进行修改优化，这是一个反复的过程，最后得到塔身设计的理想结果。

经过设计分析比较，有限元分析法与传统分析计算方法具有较明显的优势，表现出诸多优点。节省了设计研究人员繁琐的计算及校核，而且使设计的计算结果更加精确，设计过程中的修改变得更加简单，不会由于人为的马虎而造成整个设计的错误。设计分析结果更加精确，有限元分析软件能够自动对塔身进行建模、加载荷、求解，并且通过与AutoCAD 连接，即可得到塔身设计的完整结构图形，参数化设计软件可在设计参数不同的同类产品时，根据用户需要，修改少量的基本参数，快速设计出新产品，缩短产品的设计周期，实现市场的快速反应。

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