水平臂式塔机顶部支撑形式对起升动载系数的影响

王 强

(贵州交通职业技术学院汽车工程系，贵州贵阳 550008)

0 引言

动载系数法是目前世界上计算塔机动载荷的最主要方法，其通过在静载的基础上乘以一个大于1的动载系数来考虑动态效应对塔机结构和机构的影响，其实质仍是一种静力计算方法。各国标准均使用数个动载系数以考虑塔机在不同工况下的动载情况，其中起升动载系数φ2是动载系数中较为重要的一个系数，其所对应的工况是塔机主要的工作工况，也是振动比较剧烈的工况。

起升动载系数φ2是指起升质量突然离地起升或下降制动时，起升载荷对承载结构和机构产生的附加动载荷作用。目前世界上主要的起重机设计规范均借鉴了德国的DIN标准，人为的规定了起升动载系数φ2的取值方法，如式(1)所示:

其中，f为φ2的取值函数，依各国标准的不同而稍有不同，但都确定为载荷起升速度v与塔机工作级别c的函数。

如德国于1984年颁布的德国工业标准DIN15018起重机承载钢结构计算原则中起升动载系数φ2的计算式如表1所示。

表1 德国DIN15018标准中φ2取值表

这种确定起升动载系数φ2的方法虽然为塔机的实用计算提供了方便、易于推广普及，但同时也带来了一系列问题:

1)各种标准虽然都将起重机划分了不同的起升等级(工作级别)，并规定按起升等级计算起升动载系数，但标准中对起重机等级的划分原则和划分方法叙述的较为笼统，在实际操作中存在一定困难;2)塔机形式复杂、结构多样，在没有对不同塔机结构对起升动载系数有何影响进行深入研究的情况下，仅凭借经验将起升动载系数确定为起升速度和工作级别的函数显然存在片面性，缺乏说明力;3)近年来，随着技术的进步和分析手段的提高，出现了多种新型塔机，这些塔机的动载计算是否也可以沿用以往的计算方法值得探讨。

可见，对起升动载系数φ2的确定还有待进行更深入的研究，而了解其与塔机结构具体形式之间的关系是一项很有实际意义的工作，它将为塔机动载荷的合理计算奠定基础。

1 塔机动力特性分析

塔机结构型式的不同主要表现在顶部支承形式(包括塔帽和平衡臂)的不同上，目前，广泛采用的有两种顶部支承形式:塔帽式和撑杆式，而平头式塔机因其结构的特殊性应作为特例单独研究。QTZ1250型塔机的这两种顶部支承形式的结构简图如图1所示。从图中可以看出，两者的塔身和吊臂均采用了相同的几何形式和参数，不同的仅是塔帽和平衡臂。而且，两者的总质量和起升特性曲线也基本相同。

首先使用SAP84软件对这两种塔机进行特征值分析，以了解它们的动力学基本特性，即固有频率和相应振型。为了简化分析采用了如下计算假定:

1)底架和基础相连，与塔身、吊臂等梁杆系统相比，其刚度要大得多，所以可认为是刚性固定的;2)忽略结构阻尼的影响，认为整个振动系统仅是弹性—质量系统，由于阻尼对结构振动起削弱作用，所以这种简化是偏于保守的;3)由于要求塔机必需工作在弹性范围内、不能进入塑性阶段，所以可以忽略各种非线性因素，认为振动是线性振动。

通过计算得到的两者前4阶振型分别如图2和图3所示。

2 起升动载系数计算

由于载荷下降制动工况可以定性的反映起升动载系数φ2的取值情况，所以，本文对这两种顶部支撑形式的QTZ1250型塔机的载荷下降制动工况进行了实际的有限元动力分析，该型塔机的下降制动相关参数如下:制动时间:2 s;额定下降速度:1 m/s;臂端最大起重量:1 900 kg(包括运行小车和吊具质量)。

图1 QTZ1250型塔机结构简图

图2 QTZ1250型撑杆式塔机振型图

图3 QTZ1250型塔帽式塔机振型图

同样出于简化计算的考虑，采用了如下计算假定:

1)结构的振动不对原动机和传动机构的运动产生影响，同时，将原动机振动对结构的影响也忽略不计;2)在载荷下降制动过程中，由于最大动力响应出现在前几个振动周期内，载荷下降的距离与钢丝绳总长相比较小，故忽略钢丝绳悬挂长度的改变。

此处，由于在实际工作时，塔机可能在任意高度下进行下降制动操作。因此，应选择多个钢丝绳不同长度情况进行比较分析，以考查吊重处于不同高度(即钢丝绳取不同长度)时对起升动载系数的影响。

计算得到了下降制动工况下吊重处于不同高度时的起升动载系数φ2，其变化曲线如图4所示。

图4 QTZ1250型塔机不同高度下的起升动载系数曲线

3 结语

分析上述计算结果不难得到如下结论:1)由图2，图3可见，对该型塔机的两种不同顶部支承形式而言，结构的前四阶振型基本相同。其原因不难解释:因为塔机的前几阶振型的主要影响因素是塔身的刚度及整机的质量分布，由于这两种顶部支承形式采用了相同的塔身、质量分布也相近，最终使得两者的前几阶振型相差很小。2)图4表明，在相同动载荷的作用下，不同顶部支承形式对塔机的起升动载系数影响不大。3)对图4中各图进行比较，发现吊重在不同高度下(即钢丝绳长度不同时)起升动载系数的变化规律大致相同，具体取值也相近，这是符合实际情况的。因为在下降制动工况下，外激励处在与钢丝绳平行的铅直方向上，而且起升动载系数考虑的是钢丝绳的轴力，这些只与钢丝绳的轴向刚度有关，所以钢丝绳长短对起升动载系数影响较小。

［1］ 夏拥军，陆念力，罗 冰.关于水平臂式塔机起升动载系数φ2的一点讨论［J］.工程机械，2005(1):32-36.

［2］ 夏拥军，罗 冰，陆念力.起重机载荷起升离地阶段的两种动力学模型探讨［J］.建筑机械，2006(10):84-87.

［3］ 胡宗武，阎以诵.起重机动力学［M］.北京:机械工业出版社，1988.