QTZ80塔式起重机回转支座动态特性研究

杨向莙 吴昊荣

摘 要：以QTZ80塔机回转支座的原型为计算模型，进行有限元模态分析，得到回转支座前十阶固有频率及振型。结合塔机工作中引起回转支座产生振动及变形的主要原因，分析因回转运动产生受迫振动而引起共振现象的可能性，最终给出可行的改进意见。

关键词：QTZ80；回转支座；模态分析；共振

引言

塔式起重机是典型的柔性结构，即使在回转速度不高的情况下，也会产生较大的振动，使得钢结构受到比静载荷大得多的动载荷影响，最终可能造成钢结构的破坏，所以在塔机设计中动态特性分析是必不可少的一部分。回转部分作为塔机的重要组成部分，是连接起重臂、平衡臂、塔头和固定塔身的桥梁，主要有上、下回转支座、回转支承、回转机构和安全装置组成。由于上、下回转支座均为板件焊接而成的复杂结构，无法对其动态特性进行计算。而有限元法是目前应用较为广泛的分析方法[4]，其利用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟，并通过有限数量的单元逼近无限未知量的真实系统，不仅计算精度高，同时能适用于各种复杂结构。

1 回转支座有限元建模

QTZ80塔机属于上回转自升式塔式起重机，回转支座主要由上回转支座、下回转支座和圈板三部分组成，如图1所示。由于上下回转支座的筋板布置比较复杂，利用WORKBENCH建模时操作过于繁琐，耗时较长，建模效率低。故选用三维建模软件CATIA建立回转支座的完整模型，通过转存格式.stp将模型导入WORKBENCH中，然后对模型分配材料属性，见表1。

1.1 网格划分

因回转支座模型体积过大且结构相对复杂，为了不失计算精度而又不使网格过多，故选用自动网格划分方法。同时将网格划分的适用领域设置为结构计算，调整相关性中心的网格细化程度为中级；使用平滑度控制选项，通过调整周围节点和单元节点的位置改进网格质量；为使回转支座上的中心孔的网格进行细化，将跨度中心角范围设置为-75°～24 ，图2为回转支座网格划分图。

1.2 边界条件及接触类型

塔机回转运动时，下回转支座与塔身通过销轴连接在一起，故在下回转支座四个支腿的销轴孔及支腿底面添加固定约束。

模态分析时设置相邻部件间的接触类型为不分离接触，即不允许接触区域的接触面分离，同时防止零部件间的相互渗透。

2 模态分析

2.1 引起回转支座振动的原因

回转支座是连接塔机回转部分与非回转部分的重要结构，主要承受起重臂、平衡臂、塔头的自重及起升重物的重量。在工作时引起回转支座振动及变形的主要原因是回转机构启动过程中，因系统加速导致臂尖位置滞后臂根位置，加速结束后驱动力矩与阻力矩相平衡而引起的扭转和弯曲振动，回转运动制动过程中，因系统减速使臂尖位置超前臂根位置，减速结束后吊臂驱动力矩与阻力矩相平衡，引起的扭转和弯曲振动[7]。

2.2 模态分析理论

模态分析利用实际结构的动态实验数据的基础上，使用参数识别理论计算出机械结构的动态参数和特性，由此建立起高精度的动力学模型，从而比较客观地反映结构的动态特性[8]。对于n自由度运动系统，无阻尼模态分析求解的基本方程可表达为：[M]{■}+[K]{■}={0}，展开后，可表示为：

假设系统运动微分方程的特解为： 。

将特解代入系统运动微分方程后，得到（K-？棕2M）·A=0。为了使A有不全为零的解，则其系数矩阵行列式必须等于零，便得到系统频率方程：|K-？棕2M|=0，此式是关于？棕2的n次多项式，由此可解出系统的n个固有频率。

分块兰索斯法在求解高阶频率时的求解速度和求解低阶频率时一样快，特别适用于回转支座等大型对称特征值求解问题。而高阶模态分析容易引起一定的计算误差，并且高频率相对来说较难被激励，故只提取前十阶的固有频率及振型。

2.3 分析结果

通过模态分析，得到塔机回转支座的十阶固有频率及相应振型下的最大综合位移量，如表2所示。从表中可以看出，随着模态分析阶数的增加，其固有频率呈递增形式变化，且基频为67.881Hz；各阶模态分析中，回转支座的变形量均不同，且不呈递增规律变化，其中第十阶模态的综合位移量最大，达37.135mm，具体的振型位移变化曲线见图3。

综合位移量是标量，并不能说明结构变形的程度。Z方向是弯曲振动的主要方向，结合各振型的Z方向矢量位移，可查看结构的最大弯曲变形量，如图4所示。图中正位移表示单元节点受拉伸作用，负位移表示单元节点受压缩作用。

为了进一步对回转支座结构变形位置和程度具体分析，给出了前4阶模态分析振型图（如图5-图8所示，第5阶模态至第10阶模态的振型均与第4阶模态振型相似，表现为支腿处侧板的弯曲变形，只是变形量有所不同）。

由前四阶模态振型图可以看出：一阶模态下，最大位移区域集中在上回转支座上面板、侧板及左侧耳板处，最大位移量达8.12mm；二阶模态下，最大位移区域覆盖整个上回转支座及圈板，最大位移量达7.23mm，振型变化同一阶模态振型；三阶模态下，最大位移区域集中在上回转支座左右两侧耳板处，位移量达13.90mm，较前两阶模态位移有增大趋势；前三阶模态中，结构变形主要表现为下回转支承支腿出弯曲，具体数值参考各阶振型沿Z方向的位移量，见图4；四阶模态下，最大位移区域集中在下回转支座支腿侧板处，最大位移量达17.14mm，振型表现为支腿处侧板的弯曲变形，图9位局部振型放大图。回转支座的振动主要集中在回转运动过程中，通过回转电机进行电力拖动带动臂架绕塔身做回转运动，可将电机视为震源。电机的振动频率为22Hz[10]，而回转支座的基频值为67.881Hz，大于电机的振动频率，故产生共振的可能性较小。

3 结束语

通过对QTZ80塔机回转支座实体模型进行有限元模态分析，得到前十阶固有频率及振型，其中一阶振型作为回转支座的主振型，最有可能发生共振现象，基频值为67.881Hz，主变形表现为下回转支座的弯曲变形；结合回转支座在工作中产生振动的主要原因，以塔机在回转过程中的电力拖动作为校验震源，得出电机振动频率与基频值相差较大，发生共振现象较小的结论。

参考文献

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作者简介：杨向 （1985-），男，甘肃张掖人，助理工程师，主要从事机械结构设计。