塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)剛性及動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究

倪孝慶

摘要：塔式起重機(jī)廣泛運(yùn)用于工業(yè)與民用建筑中，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常大的作用。同時(shí)，塔式起重機(jī)作為一種機(jī)電類特種設(shè)備，其安全性、可靠性也一直是各個(gè)塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)制造使用管理單位關(guān)注的重點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要介紹了國內(nèi)塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了在塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)剛性方面的研究情況，以及動(dòng)態(tài)優(yōu)化在塔式起重機(jī)中的應(yīng)用情況。針對(duì)目前塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)剛度及動(dòng)態(tài)特性方面的特點(diǎn)，分析了典型塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度，提出了一種對(duì)塔機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī) 結(jié)構(gòu)剛度 動(dòng)態(tài)優(yōu)化

引言

塔式起重機(jī)隸屬于特種設(shè)備目錄里的起重機(jī)械，是一種回轉(zhuǎn)式的起重設(shè)備。塔式起重機(jī)的作業(yè)空間大，作業(yè)范圍廣，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構(gòu)件的安裝。隨著房地產(chǎn)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國的塔式起重機(jī)行業(yè)也越來越繁榮，尤其是自主品牌的塔機(jī)已經(jīng)成為了國內(nèi)塔機(jī)市場(chǎng)的主角，在滿足了國內(nèi)工程需要的情況下，部分塔機(jī)也已遠(yuǎn)銷國際市場(chǎng)，參與到了世界大型項(xiàng)目的建設(shè)中。

1.我國塔式起重機(jī)發(fā)展概況

我國從1954年試制出第一臺(tái)TQ2-6型塔式起重機(jī)以來，塔式起重機(jī)的自主生產(chǎn)已有超過50年的歷史了。前30年的發(fā)展處于緩慢的起步階段，真正快速發(fā)展是近20年的事。在80年代初期，我國塔式起重機(jī)有了行業(yè)組織，有了科研計(jì)劃，組織了標(biāo)準(zhǔn)編制，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)有章可循，這是塔式起重機(jī)近20年發(fā)展迅速的重要條件。到目前為止，我國塔式起重機(jī)的生產(chǎn)廠家接近400家，年產(chǎn)大大小小的塔機(jī)以將近1萬臺(tái)，年產(chǎn)值接近30個(gè)億，從業(yè)人員已達(dá)到10萬多人，生產(chǎn)各種規(guī)模塔機(jī)已有18種之多。在今后的一段時(shí)期里，塔式起重機(jī)行業(yè)仍將處于穩(wěn)健發(fā)展時(shí)期。在產(chǎn)品品種方面將向大型化和微小型發(fā)面發(fā)展；在技術(shù)性能方面將向數(shù)字化、智能化和機(jī)電一體化方向發(fā)展；在結(jié)構(gòu)形式方面將會(huì)發(fā)展一機(jī)多用的塔機(jī)，如吊重、布料、高空作業(yè)集為一體的塔式起重機(jī)，要加大力度研究解決高性能、高技術(shù)含量、高可靠性的塔機(jī)，最大程度的降低塔機(jī)事故率。

2. 塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)剛性與動(dòng)態(tài)優(yōu)化

在物理學(xué)的定義中，所謂剛性是指兩個(gè)物體相碰撞不發(fā)生變形的能力，而在工業(yè)領(lǐng)域，剛性是指構(gòu)件在靜力負(fù)荷作用下，抵抗變形的能力。具體到起重機(jī)行業(yè)，GB/T3811-83《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》將起重機(jī)的剛性分為靜態(tài)剛性和動(dòng)態(tài)剛性，其中靜態(tài)剛性是這樣描述的：規(guī)定的載荷作用于指定位置時(shí)，結(jié)構(gòu)在某一位置處的靜態(tài)彈性變形量。標(biāo)準(zhǔn)中亦規(guī)定，對(duì)于塔式起重機(jī)一般不做動(dòng)態(tài)剛性的校核，當(dāng)用戶或者設(shè)計(jì)者本身對(duì)此有特殊要求時(shí)，可進(jìn)行校核。因此，我們所要重點(diǎn)研究的起重機(jī)結(jié)構(gòu)剛性即為起重機(jī)的靜態(tài)剛性，對(duì)于塔式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)剛性，則用在建立在靜態(tài)剛性基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法進(jìn)行分析。

GB/T3811-83《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)塔式起重機(jī)的靜態(tài)剛性做了量化的要求：塔式起重機(jī)在額定起升載荷的作用下，塔身在臂架連接處的水平靜位移應(yīng)不大于H/100，H為塔身在臂架連接處據(jù)地面或軌面（對(duì)附著式塔式起重機(jī)應(yīng)為最高一個(gè)附著點(diǎn)）的垂直距離。由塔式起重機(jī)靜態(tài)剛性的定義及標(biāo)準(zhǔn)要求可知，靜態(tài)剛性是塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的一個(gè)力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)剛性的分析，即為起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)受力過程的分析，也是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)可靠性分析。

3. 塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)剛性分析

塔式起重機(jī)工作時(shí)會(huì)受到基本載荷、附加載荷、特殊載荷和其它載荷等四種載荷的作用，在進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)按塔式起重機(jī)的類型、使用環(huán)境和作業(yè)工況選取可能出現(xiàn)的載荷組合情況。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)剛性分析，應(yīng)選用考慮基本載荷和附加載荷同時(shí)作用的情況，它包括塔式起重機(jī)在容許的最繁重使用條件下的各種最大載荷，其中包括自重、起升載荷、猛烈啟動(dòng)或制動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷、工作狀態(tài)下的最大載荷、水平側(cè)向載荷等。這些載荷組合作用在塔式起重機(jī)上時(shí)，吊臂端、前吊點(diǎn)、前后吊點(diǎn)中間、后吊點(diǎn)和靠近根部等五個(gè)節(jié)點(diǎn)位置為典型受力位置。將組合后的力平均分布到各部件相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析。當(dāng)?shù)踔卦诘醣鄱颂帟r(shí)，前吊點(diǎn)上弦桿受最大拉應(yīng)力；當(dāng)?shù)踔卦谇暗觞c(diǎn)處時(shí)，后吊點(diǎn)上弦桿受最大拉應(yīng)力；當(dāng)?shù)踔卦谇昂蟮觞c(diǎn)中間處時(shí)，后吊點(diǎn)上弦桿受最大拉應(yīng)力；當(dāng)?shù)踔卦诤蟮觞c(diǎn)處時(shí)，腹桿受最大拉應(yīng)力；當(dāng)?shù)踔卦诳拷刻帟r(shí)，吊重處的腹桿受最大拉應(yīng)力。從以上五個(gè)典型受力位置的分析中可以看出，當(dāng)載荷在前后吊點(diǎn)中間點(diǎn)時(shí)受力狀態(tài)最差，為最危險(xiǎn)工況。

4. 基于靜態(tài)剛性分析的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法

塔式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)剛性對(duì)塔式起重機(jī)動(dòng)態(tài)特性影響最大的參數(shù)，其定義是塔身在水平方向的振動(dòng)頻率。雖然目前我國的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并不強(qiáng)制要求對(duì)動(dòng)態(tài)剛性進(jìn)行校核，但這是塔式起重機(jī)械設(shè)計(jì)的未來發(fā)展方向?；陟o態(tài)剛性分析的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法是指在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)滿足性能要求的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，逆向得到結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而得到一個(gè)擁有良好的動(dòng)、靜態(tài)剛性的塔式起重機(jī)。

5.總結(jié)

塔式起重機(jī)的安全性一直是相關(guān)設(shè)計(jì)單位、制造單位、使用單位及監(jiān)督管理檢驗(yàn)檢測(cè)單位特別關(guān)注的問題，如何分析塔式起重機(jī)的受力情況以及如何評(píng)價(jià)塔式起重機(jī)的安全狀況是大家共同追求的目標(biāo)。本文分析了塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度，提出了基于靜態(tài)剛性分析的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，彌補(bǔ)了塔式起重機(jī)安全評(píng)價(jià)方法理論數(shù)據(jù)支撐的不足，達(dá)到了分析研究塔式起重機(jī)剛度的目的，對(duì)提高塔式起重機(jī)的安全性，增加起重機(jī)的可靠性有一定的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]范峻祥.塔式起重機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB3811-83）.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1984

[4]于蘭峰，王金諾.塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，42（2）

[5]陳炳炎.塔式起重機(jī)塔身的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑機(jī)械，1988，（09）