建筑塔式起重機(jī)的故障分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法

肖輝　李超　楊代云

摘 要

為解決某型號(hào)塔式起重機(jī)平衡臂結(jié)構(gòu)開(kāi)裂失效故障，研究分析建立了一種以有限元模型分析和解決故障的方法。分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有平衡臂結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)變過(guò)大是導(dǎo)致故障的原因，平衡臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)后兩種極限工況下的變形和應(yīng)力分別減少了84.5%、43.2%和86.1%、86%，得到了一種可提高平衡臂使用壽命、降低故障率的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，從而達(dá)到高效診斷故障和解決故障的目的，為塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和故障診斷提供了一種高效的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞

塔式起重機(jī);平衡臂;極限工況;故障診斷

中圖分類號(hào)： P313.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.045

0 引言

塔式結(jié)構(gòu)的起重機(jī)廣泛用于我國(guó)建筑行業(yè)中，配合變幅小車以及回轉(zhuǎn)臺(tái)，能在以規(guī)定的最大起重幅度和最高起吊高度構(gòu)成的圓柱空間內(nèi)快速轉(zhuǎn)運(yùn)重物[1]。塔式起重機(jī)主要由動(dòng)力部分，控制部分和金屬結(jié)構(gòu)部分組成。金屬結(jié)構(gòu)是塔式起重機(jī)承受負(fù)載的承重金屬框架，由多種截面形狀的連桿焊接而成，包括：塔身，塔帽，起重臂，平衡臂，拉索等，如圖1所示。塔身由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過(guò)螺栓固接，塔身與底座固接，根據(jù)實(shí)際使用要求，底座與地面有固定式和移動(dòng)式等連接方式。塔帽與塔身之間通過(guò)回轉(zhuǎn)臺(tái)連接，可實(shí)現(xiàn)起重臂回轉(zhuǎn)起吊不同方向的重物的功能。起重臂和平衡臂分別通過(guò)螺栓固接在塔帽兩側(cè)，并通過(guò)拉索與塔尖連接。塔式起重機(jī)變幅起吊過(guò)程中，各金屬桿件連續(xù)承受隨機(jī)變化的拉壓載荷以及力矩作用。實(shí)踐證明，塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效開(kāi)裂、變形是最為常見(jiàn)的故障。

為解決某型號(hào)塔式起重機(jī)平衡臂變形和開(kāi)裂問(wèn)題，構(gòu)建該機(jī)型的有限元模型，通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后有限元分析結(jié)果，為解決該機(jī)型變形和開(kāi)裂問(wèn)題提供了分析依據(jù)。

1 建立有限元模型

1.1 搭建三維模

塔式起重機(jī)金屬構(gòu)件按照功能可分為：塔身、回轉(zhuǎn)臺(tái)、塔帽、起重臂、平衡臂、拉索等，由不同截面形狀的冷拔鋼桿件組成。塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)以及塔帽由4根立柱以及焊接在立柱間的斜拉桿構(gòu)成，起重臂以及平衡臂由上下弦桿以及之間的斜拉桿構(gòu)成，拉索為圓鋼制成的連桿連接而成[2]。表1所示為組成該機(jī)型的各金屬桿件的截面參數(shù)。

根據(jù)表1所示截面形狀，基于Pro/e建立的該型號(hào)塔式起重機(jī)三維模型：10節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過(guò)螺栓連接構(gòu)成塔身，單節(jié)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度3M，塔身總體高度30M。3節(jié)起重臂單元通過(guò)螺栓連接構(gòu)成起重臂，單節(jié)起重臂單元長(zhǎng)度15M，起重臂總體長(zhǎng)度45M。平衡臂長(zhǎng)11M，末端放置配重。如圖2-5所示。

1.2 建立有限元模型

1.2.1 模型簡(jiǎn)化分析

有限元模型簡(jiǎn)化遵循的原則：（1）為保證建模準(zhǔn)確性，應(yīng)保證有限元模型整體尺寸與實(shí)際尺寸一致;（2）為提高仿真效率，尺寸小，質(zhì)量集中的結(jié)構(gòu)，在不影響準(zhǔn)確性的前提下，可對(duì)模型簡(jiǎn)化處理。（3）有限元模型可不體現(xiàn)控制部分、動(dòng)力部分、變幅小車、配重塊等結(jié)構(gòu)外形特征，只需在相應(yīng)安裝位置施加力載荷進(jìn)行等效替換[3]。

根據(jù)三維模型結(jié)構(gòu)尺寸等特征參數(shù)，在ANSYS中設(shè)置好單位，確保有限元模型尺寸參數(shù)與實(shí)際尺寸參數(shù)一致。

金屬結(jié)構(gòu)除了框架，還包括回轉(zhuǎn)臺(tái)、駕駛室等結(jié)構(gòu)。該部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量集中，且尺寸遠(yuǎn)小于塔式起重機(jī)整體尺寸，在整機(jī)有限元模型中，可使用梁?jiǎn)卧M(jìn)行等效處理，保證模型準(zhǔn)確可靠的前提下，避免具有不同節(jié)點(diǎn)的單元連接問(wèn)題，提高建模以及計(jì)算效率。

鋼絲繩質(zhì)量和尺寸遠(yuǎn)小于塔機(jī)整機(jī)重量和尺寸，有限元模型中可忽略不計(jì)。用施加在變幅小車位置處豎直向下的作用力來(lái)等效處理起重負(fù)載。

用剛性連接建立約束關(guān)系表示塔式起重機(jī)各結(jié)構(gòu)模塊間的螺栓連接，限制相鄰兩構(gòu)件螺栓連接處節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度[4]。

1.2.2 單元及連接選擇

基于TIMOSHENKO梁理論的3D線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧狟EAM188是一個(gè)具有二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁，每節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，適用于線性分析以及大偏轉(zhuǎn)和大應(yīng)力的非線性分析，并且能定義任何材料截面形狀，適用于分析細(xì)長(zhǎng)的梁桿機(jī)構(gòu)[5]。塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、起重臂、平衡臂以及塔帽結(jié)構(gòu)主要承受的負(fù)載為拉壓力以及彎矩，表現(xiàn)出較大的靜位移和應(yīng)力，且組成桿件具有多種截面形狀，具有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此，該型號(hào)塔機(jī)采用BEAM188單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分求解。

塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間、塔身與塔帽之間以及塔帽與起重臂和平衡臂之間均為螺栓連接，限制了兩組成構(gòu)件重合部分的6個(gè)自由度，等效于剛性連接。在構(gòu)建有限元模型時(shí)，采用簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行處理，使用剛性連接限制螺栓連接處的自由度[6]。

1.2.3 載荷簡(jiǎn)化

塔式起重機(jī)承受的載荷主要有負(fù)載重量、配重、動(dòng)力和控制系統(tǒng)部分重量、塔機(jī)自重等。

該型號(hào)的塔式起重機(jī)塔身高度30M，起重臂長(zhǎng)45M，起重性能為：起重機(jī)最大起重載荷為2t，配重質(zhì)量2.8t，吊幅在18-32M的起重載荷均為2t，吊幅在35 M、40M和45M的起重載荷分別是1.68t、1.4t和1.3t。動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以、操作手及塔身自重總重量2.5t，用作用在塔機(jī)質(zhì)心處的載荷來(lái)等效該部分重量。該型號(hào)機(jī)型底座與地面為固定式，不可移動(dòng)，因此，在有限元模型中需限制塔底座元素的所有自由度。

1.2.4 有限元計(jì)算和結(jié)果分析

塔機(jī)主要材料Q345B的屈服強(qiáng)度3.45×108 Pa，彈性模量206GPa，泊松比0.27，密度7850kg/m3，結(jié)合Pro/e三維模型、表1所有的塔機(jī)各主要結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)以及負(fù)載情況建立的有限元模型如圖6-7所示。該模型由2442個(gè)單元，2169個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

為解決塔機(jī)金屬構(gòu)件的失效、開(kāi)裂問(wèn)題，需分析考慮極限工況下塔式起重機(jī)的變形和應(yīng)力分布情況，塔式起重機(jī)極限工況有兩種，一種是吊幅最小，起重質(zhì)量最大，另一種是吊幅最大，起重質(zhì)量最小。設(shè)定工況一為：吊幅18M，起重量2t;工況二為：吊幅45M，起重量1.3t。工況一、二的塔機(jī)配重和塔機(jī)自重均相同，分別為2.8t和2.5t。

在有限元模型上添加相應(yīng)載荷，計(jì)算結(jié)果如圖9 - 11所示。工況一和工況二的最大位移和最大應(yīng)力位置均發(fā)生在平衡臂尾端，最大變形量分別為243mm和214mm，最大應(yīng)力值分別為2.80×108Pa和2.79×108Pa。平衡臂尾端長(zhǎng)時(shí)間在較大變形量的情況下，且連續(xù)承受配重以及來(lái)自拉索的變化負(fù)載作用，最先也最容易表現(xiàn)出失效和開(kāi)裂。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知：由于結(jié)構(gòu)原因，該型號(hào)塔式起重機(jī)應(yīng)力和變形最大位置均為安裝配重的平衡臂上，且變形和應(yīng)變值均較大，可以預(yù)測(cè)該類型塔式起重機(jī)平衡臂故障較多，這與實(shí)際使用當(dāng)中表現(xiàn)的故障類型一致，驗(yàn)證了模型的有效可靠性。

2 塔機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

在平衡臂所受負(fù)載確定的情況下，通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高平衡臂整體的剛度和強(qiáng)度，達(dá)到減小平衡臂變形和應(yīng)力集中的問(wèn)題。圖12所示為該平衡臂的原始結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的平衡臂結(jié)構(gòu)如圖13所示，通過(guò)增加斜拉桿達(dá)到提高平衡臂剛度和強(qiáng)度的目的。

2.2 結(jié)果對(duì)比分析

在保證所有載荷和約束不變的前提下，計(jì)算工況一和工況二下的最大變形和應(yīng)力。結(jié)果表明：該種改進(jìn)方法能夠明顯減小塔機(jī)變形：工況一的最大變形由結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的243mm減小到結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的34.6mm，減小了84.5%;最大應(yīng)力由結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的2.80×108Pa減小到結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的0.39×108Pa，減小了86.1%。工況二的最大變形由結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的213mm減小到結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的121mm，減小了43.2%;最大應(yīng)力由結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的2.79×108Pa減小到結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的0.39×108Pa，減小了86%。結(jié)果表明按照該種方式改進(jìn)的平衡臂應(yīng)變和應(yīng)力情況均遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的情況，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于Q345B的屈服強(qiáng)度3.45×108 Pa，滿足受力情況要求，可提高平衡臂的使用壽命，可減少故障的發(fā)生。

在有效可靠的有限元模型上進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析結(jié)果表明，該種結(jié)構(gòu)方案不僅能驗(yàn)證和預(yù)測(cè)實(shí)際使用中出現(xiàn)的故障，還能為出現(xiàn)的實(shí)際故障提供解決方案，改進(jìn)后的平衡臂結(jié)構(gòu)符合安全使用的要求。

3 結(jié)論

通過(guò)有限元模型分析發(fā)現(xiàn)該種型號(hào)的塔機(jī)平衡臂在兩種極限工況下較大的變形和應(yīng)力是導(dǎo)致故障發(fā)生的原因所在，平衡臂連桿連接處的應(yīng)力值已經(jīng)達(dá)到2.80×108Pa，接近材料的屈服極限。在后期結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)應(yīng)著重提高平衡臂結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度，降低其變形和局部應(yīng)力。本研究的結(jié)論總結(jié)如下：

（1）通過(guò)與實(shí)際使用情況比對(duì)，分析和簡(jiǎn)化模型，建立了有效可靠的有限元模型。

（2）有限元模型分析發(fā)現(xiàn)塔機(jī)平衡臂結(jié)構(gòu)原因是導(dǎo)致故障的主要原因，并提供了一種有效可靠的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。

（3）建立在有限元模型上的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，可以推廣應(yīng)用到塔機(jī)其他結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段的故障的預(yù)測(cè)，可提高塔機(jī)故障檢測(cè)和分析的效率。

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