塔式起重机的受力分析
郑州轻工业学院
本科毕业设计（文献综述）
题 目 高层建筑机械——塔式起重机的受力分析
学生姓名 王萌
专业班级 机械设计制造及其自动化03-5班
学 号 200302010533
院 （系） 机电工程学院
指导教师(职称) 苏二伟（讲师）
完成时间 2007年3月20日
塔式起重机的受力分析文献综述
1.引言
塔式起重机是用来对物料进行起重、运输、装卸和安装等作业的机械设备。随着生产规模日益扩大，特别是现代化、专业化生产的要求，在许多重要的部门中，起重机己经成为不可缺少的重要机械设备，它的发展对国民经济建设起着积极的促进作用。
1.1 塔式起重机的基本概念
塔式起重机是现代工业和民用建筑的主要施工机械之一。据资料记载，塔式起重机溯源于西欧，有关建筑用塔式起重机的第一项专利颁发于1900年。近代塔式起重机的首批原型样机出现于1912年。1923年研制成功第一台比较完整的近代塔式起重机。30年代，德国已开始批量生产塔式起重机并在建筑工地上使用，与此同时，还向国外出口。1914年公布了建筑用塔式起重机的德国工业标准DIN8670，规定以吊载(吨)和幅度(米)的乘积(吨·米)——起重力矩表示塔式起重机的起重能力[1]。
而早在商朝(公元前1765年到1760年之间)，我国劳动人民就使用了汲水的桔棒，它是一种类似塔式起重机的机构，长期以来我国没有自已的起重机制造业，直到新中国成立后，才建立独立制造各种起重机的工业体系。在生产和使用塔式起重机上，我国起步较晚。1953年，在北京劳动人民文化宫第一次展出前民主德国的建筑师I型塔式起重机。1954年，东北抚顺重型机器厂仿建筑师I型试制了TQ2-6型塔式起重机，这是我国自制的第一台塔式起重机。同年在北京航空学院教学楼施工吊装，这是我国第一次在建筑工地上使用塔式起重机[2]。
在建筑安装工程中，能同时完成重物的垂直升降和水平移动的起重机械很多，其中应用最广泛的是塔式起重机。因为它具有其他起重机械难以相比的优点。如:塔身高，起重臂装于塔身顶部，有效起升高度大;起重臂长，有效作业面广;能同时进行起升、回转、行走、变幅等动作，生产效率高;采用电力操纵，动作平稳，安全可靠;和其他起重机械相比，结构较为简单，运转可靠，保养维修也较为容易。因此，塔式起重机已成为现代工业与民用建筑机械化、装配化中不可缺少的主要施工机械[3]。
目前，在国际塔式起重机市场上比较活跃的著名公司有法国的Potam和BP R,德国的Liebherr, Pemer和WOIffv意大利的Simma, Cornedil, Rainmonde和Alfa丹麦的KROLL，芬兰的Betrox，西班牙的Comensa和澳大利亚的Favco。为增强企业自身实力以摆脱困境，一些公司进行了联合和兼并。例如Potam兼并Simmag BPR与Cadilon合并，Potain与BPR联合，Wolff归属MAN集团，Peiner归属NOELL集团，并分别成立了Peiner HTS和NOELL PEINER两个公司。就生产实力而言，在上述公司中，以法国Potain与BPR联合组成的集团和德国的Liebberr最为雄厚。我国自上世纪80年代生产出QTP60, QT80A, QTF80等新机型，引进法国Potain公司的塔机技术后，主要有三种机型:GTMR360B小型下回砖塔机、FO/23B中型上回转塔机和H3/36B大型上回转塔机[5]。
2 塔式起重机的基本参数与组成
根据国家标准GB6974.1-86《起重机械名词术语一起重机械类型》塔机属于臂架型起重机，此类构造的起重机的取物装置悬挂在臂架顶端，或悬挂在可沿臂架运行的起重小车上，臂架安装在塔身顶部并可回转。
塔机型号标注方法按JG/T5093-1997执行。型号编制图示如下:
标记示例:
QTz25—额定起重力矩250kN"m自升塔机。
塔机基本参数系指直接影响塔机工作性能、结构设计、制造成本的各种参数，它们是:起重力矩、起重量、基本臂最大工作幅度、起升高度、轨距和各工作机构的工作速度等。
塔机的主参数为额定起重力矩，额定起重力矩是指起重臂为基本臂长时最大幅度与相应额定起重量重力的乘积值。它是综合起重量与幅度两个因素的参数，比较全面和确切地反映起重机的起重能力。目前国内各企业内部标准一般以起重臂的最大幅度和相应的最大起重量来标注起重机型一号，如QTZ63B又一标记为TC5013B[7] 。
起重量即起重机起吊重物的质量值，它通常是以额定起重量表示的。所谓额定起重量是起重机在各种工况下安全作业所容许的起吊重物的最大质量值，它一般伴随着幅度的加大而减少。
幅度是起重机回转中心轴线至吊钩中心的距离。通常是指在额定起重量下它们之间的水平距离。
起升高度是指支承面或轨面(对于轨道式塔机)到吊钩钩口中心的距离。最大起升高度的确定，是根据起重机作业要求(如结构物的高度)和起重机总体设计的合理性综合考虑。
起重机的工作速度主要包括起升、变幅、回转和行走的速度。起升速度指起重吊钩升起(或下降)的速度;变幅速度多指吊钩沿着起重臂移动的速度;回转速度指起重机转台每分钟的转速。设计时，起重机工作速度选择合理与否，对起重机性能有很大的影响。因此，通常新设计起重机时，除仔细地、全面地考虑作业对象、运动行程和性质、机型外，还可根据同类型、同吨位和工作条件相类似的起重机的相应速度作为选择时参考[8]。
塔机按行走机构分类可分为行走式、自升式和固定式;按起重臂变幅方法分类可分为起重臂变幅、起重臂小车变幅和折臂式;按回转方式分类可分为上回转式和下回转式。它一般由工作机构、金属结构、动力装置及控制系统四部分组成(如图2-1)。
1-平衡块；2-平衡臂；3-塔帽；4-起重臂；5-小车；6-吊钩；7-回转机构；
8-顶升机构；9-塔身；10-基础
图2-1 QTZ25塔机
3 塔式起重机的计算载荷
设计起重机时，必须首先确定作用在起重机上的外载荷，以作为计算起重机稳定性、支腿压力或轮压、机构零部件和金属结构强度以及选择原动机功率的依据。此类载荷分为三类，即基本载荷、附加载荷与特殊载荷。它们一般是根据基本参数和参照同类型塔机的设计来计算确定[10]。
3.1、基本载荷
基本载荷是始终和经常作用在起重机上的载荷。它们是:自重载荷、起升载荷、以及由于机构的起(制)动所引起的水平载荷。
3.2、附加载荷
附加载荷是起重机在正常_L作状态下所受到的非经常性作用的载荷。它们是:作用在起重机结构上的最大工作风载荷，起重机悬吊物品在受载荷作用时对结构产生的水平载荷、起重机偏斜运行引起的侧向力以及根据实际情况决定而考虑的温度载荷等
3.3、特殊载荷
特殊载荷是起重机处于非工作状态时可能受到的最大载荷或在工作状态下偶然受到的不利载荷。前者包括结构受的非工作状态的风载荷、实验载荷以及根据实际情况决定而考虑的安装载荷等。
再根据载荷状态和利用等级就确定了塔机的工作级别，并以此进行结构计算
(如图3-1)
图3-1 塔机载荷图
在进行结构计算时，一般应按塔机构造型式、使用方法和计算目的把上述载荷按三类载荷进行组合。只考虑基本载荷组合者为组合A。除选择电动机外，一般不考虑风载荷的影响。这类载荷是用来计一算传动零件和结构件的强度、稳定计算以及传动零件和结构件的疲劳(耐久性)以及磨损和发热等的一种计算载荷。
考虑基本载荷与附加载荷组合者为组合B。这类载荷是指起重机在使用期内工作时可能出现的最大载荷。它是由起重机自重、最大额定起重量、急剧的起(制)动引起的动力载荷、工作状态下最大风压力以及重物最大偏摆(起的水平载荷等组合成的。这类载荷是用来对传动零件、金属结构件进行强度、稳定计算和整机抗倾覆稳定性计算。
考虑基本载荷、附加载荷和特殊载荷组合者为组合C。这类载荷是指起重机处于非工作状态时可能出现的最大载荷，即非工作状态下起重机所承受的自重、非工作状态最大风压力以及路面坡度引起的载荷等。这类载荷是作为零件和金属结构件强度验算和起重机非工作状态下整机稳定性验算之用[12]。
显然，并不是每一种零件包括结构件都要进行这三种载荷情况的计算，但必须同时满足起相应的安全系数。一般说来，载荷情况B的计算对于起重机任何部分都是必要的。而载荷情况A和C的计算只有部分零件才是必要的。
4 塔式起重机的设计现状
随着现代工业的迅速发展和国内外市场竞争的加剧，塔式起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用越来越大，对塔式起重机的要求越来越高。许多现代设计理论和方法正在逐步被应用和完善，主要有:
(1)有限元法的应用
有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。有限元法概念的提出始于20世纪40年代，1956年，美国的特纳(M. J. Turner)、马丁(H. C. Martin)
等首次将有限元法用于波音飞机结构分析[14]。四十多年来，由于电子计算机的高速发展，有限元的发展也十分迅速，现己成为工程科学领域内有代表性的强有力的数值分析方法。一般传统的设计计算方法局限性很大，仅能进行粗略简化分析，载荷工况只有有限的几种，无法随意组合，大多只能分析静力。采用有限元法则优越得多，能整体、全面、多工况随意组合，进行静力、动力、线性和非线性分析，对完成复杂结构或多自由度系统的分析十分有效。有限元法能针对起重机实际使用的结构边界条件进行定量的分析计算，为设计提供丰富的、反映实际工况的计算结果，并可配有丰富的动态图形显示功能。随着有限元法的广泛应用，为了提高设计效率和设计质量，国外于20世纪60年代中期将计算机用于有限元的计算中，相继开发出SAP,NASTRAN, ANSYS等通用有限元软件。而国内在这方面起步稍晚，从70年代中期才陆续出现了一些大型的有限元程序系统，例如大连理工大学的DDU，可用于解算桥梁结构、薄板薄壳、框架分析、厚板厚壳、结构稳定性、结构优化等问题;而葛洲坝水电工程学院针对水电站门式起重机门架结构而开发的门架有限元分析专用软件MJAP则是一款典型的针对起重机臂架设计而开发的专用有限元软件。从目前的应用情况看，有限元软件的应用，不仅有效地提高了我国建筑机械设计领域中结构分析的技术水平和产品设计、分析工作的效率，而且有限元方法与动态响应测试、模态分析等先进的实验方法和理论不断的结合，带来了设计方法的巨大进步。
(2)优化设计
长期以来，塔式起重机设计一直沿用着经验类比设计方法，不仅需要花费较多的设计时间，设计周期也长，而且只限于在少数几个候选方案中进行比较分析，同时选
择的方案也没有十分精确的评价标准来衡量其优劣，一般很难得到近乎最优的设计方案。随着电子计算机技术的发展与应用，可以建立设计过程能自动选取最优方案的一种迅速有效的方法，即优化设计。这种设计方法是数学规划与计算机技术相结合的产物，成为解决复杂设计问题的一种有效工具。目前，新的优化方法，如:神经网络优化算法、遗传优化算法、模拟退火优化算法等具有较好全局优化的方法是今后臂架系统优化设计的方向。另外，还将新的结构优化算法用于薄型析架的设计，这种方法服从稳态约束，并将非线性分析和最优化结合在一起。还可利用遗传算法建立模型，对塔机的工作位置的布局进行优化，得到非常理想的效果。
(3)计算机辅助设计(CAD)的应用
随着计算机软硬件技术的迅速发展，极大的促进了CAD技术在起重机上的应用。采用CAD技术不仅能利用计算机运算速度快、计算精度高、信息存储量大和逻辑推理能力强等优点代替人工进行计算和绘图，而且还能通过人机交换，最大限度地发挥设计人员的工作经验和创造力。目前我国在这方面还处于起始阶段，而国际上诸如德国的LIEBHEER公司、O&K公司和DEMAG公司，美国的POCLAIN公司，法国的POTAIN公司，日本的三菱公司、日立公司等，起重机的设计普遍采用了CAI技术，并且将设计方法学与CAD技术有机的结合起来，形成了适合各自情况，且实现性强、设计效率高的设计系统。其产品正朝着大型化、超大型化和多品种方向发展，设计开发周期短，产品更新快，市场竞争力强。今后CAD的研发方向是集方案分析、主参数优化匹配、零部件优化设计、有限元分析、绘图和文档处理为一体的集成CAI系统[15]。
(4)金属结构的动载系数法
起重机设计过去是以静力学为基础，运用材料力学、理论力学的理论基础和计算方法，在满足材料强度、刚度和稳定性的条件下，设计既经济又安全的金属结构。即要求工作应力口不超过许用应力。而在实际工作中，起重机需经常起、制动和反复运动，其产生的冲击载荷对金属结构影响很大，因此一种新的设计方法一动载系数法日渐流行。德国最早在起重机金属结构计算中采用动载荷系数的概念，他们在总结1926年以来在桥梁结构工程方面取得的经验的基础上，于1936年公布了有关起重机结构计算的标准DIN120,其基本观点被包括中国在内的许多国家广泛接受，在整个起重机设计中使用了30多年。但在实践中人们发现由工作类型决定动载荷系数的方法并不合理，1974年4月公布了DIN15018取代DIN120，提出了以起升速度决定动载系数的新概念。为了更合理地决定动载系数的选定原则，须从理论分析入手，找出影响动载荷大小的主要因素，从而为实际运算作出恰当的简化。1952年英国人Eden最早提出起升载荷按单自由度系统进行简化分析，并得到简化了的动载系数计算公式。1954年英国人Lightfoot提出另一个简化公式，苏联人I'oxaep:在1955年，德国人Neugebauer在1957年也都提出过类似公式[17]。在国内，开展动载系数的研究始于八十年代，胡宗武等人讨论了动载系数的发展历程和计算的数学理论，提出了972的简化公式，并被列入《起重机设计规范》(GB3811-83)。吴天行等人用少自由度理论计算了塔身根部、臂架和吊钩的动载系数。还有的用有限元理论计算了附着式塔机各部分的动载系数;或用有限元理论计算了塔身根部、吊钩和起重臂的动载系数;或用动态应变测试和有限元法计算了吊钩、起重臂、回转节和塔身的动载系数。
(5)疲劳设计
近十几年来，国际上疲劳强度试验及设计发展很快，疲劳设计已从许用应力法发展到半概率法及概率设计方法疲劳试验已从最大应力法发展到应力幅法，即以应力幅作为疲劳的主要影响因素，从许用应力法、半概率法直至概率法设计起重机钢结构疲劳强度是当前的最新观点和发展趋势。在80年代初，美国研究委员会运输研究局，对“带有筋极和附件的钢梁”，应用应力幅法进行了疲劳试验研究。试验结果被美国起重机制作商协会制定的电动桥式起重机规范“CMAA”中引用。80年代中期，欧洲钢结构协会曾对各种钢结构接头进行了疲劳试验，用得到的载荷一应力一寿命(P-S-N)曲线，制定了基于半概率设计钢结构疲劳强度的欧洲钢结构疲劳强度设计规范。在国内，北京起重机研究所、大连起重机厂及武汉钢铁学院等，在80年代末90年代初均对起重机梁进行了疲劳试验研究。由于当时对疲劳破坏认识不够，尚未接受应力幅试验法。而应用常幅疲劳试验，所得到的实验数据尚与实际有差距，因此未应用到可靠性设计中去。太原重型机械学院于90年代初期，应用了应力幅法对16根焊接箱形梁进行了疲劳试验研究，初步了解了疲劳破坏的分布规律，明确了试验步骤和方法，积累了经验，为该项目研究打下了良好的基础。
(6)其它新方法
除了上诉一些方法外，还有其它一些方法也广泛应用于起重机的现代设计中。
① 动态仿真设计
起重机是在复杂工况下工作的大型结构体系。动态性能受多种因素的影响，运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型来描述。国内外近年来在起重机设计中采用了动态仿真设计新方法，用计算机对机构与结构在各种工况下承受载荷进行运行的状态及随时间变化过程的仿真模拟，得到仿真输出参数和结果，以此来估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进行动态分析计算时使用。近年来，对一些通用的臂架式起重机的起升机构、回转机构、变幅机构等进行了一些动态分析。
② 数值分析方法
数值分析方法是复杂工程结构分析最常用的方法，它可以解决传统的计算方法不能解决的局部应力、应变的定量分析问题，而在实际结构中，破坏和损伤一般都是从危险的局部开始。要设计技术水平先进的现代起重机，比以前任何时候都需要了解结构的局部载荷效应情况。此外，有限样条法、有限差分法等在起重机的臂架分析中也得到了应用。
参考文献
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