塔机结构安全分析模型的建立

翟海洋，张东

（河南省南阳市第五中学，河南 南阳 473000）

1 引言

塔机具有优异的起重运输能力，是一种重要的工程机械，在土木建筑领域有着广泛的应用。重物起升、起重臂回转和起重臂变幅是塔机进行起重工作的基本操作，因此，塔机的起升机构、回转机构和变幅机构是塔机结构的重要组成部分。起升机构是塔机对物品进行升降运作的基本构成，变幅机构主要用于重物的水平移动，回转机构主要用于重物在作业空间的转动，保证塔机工作的覆盖面。这些机构的性能及安全特性对塔机的正常工作有着非常重要的影响。例如，起升机构往往要承受较重的载荷，因此，对其强度和稳定性能有较高要求。如果提升的重物过重，超过起升机构的承重极限，起升机构就会发生断裂破坏。另外，在提升重物的时候，如果在起始阶段加速过快，起重臂会在较短的时间内承受较大的冲击载荷，冲击载荷的动力学效应会对塔机的整体稳定性造成不利影响，常常诱发安全事故[1]。因此，塔机在提升重物的时候，应在起始阶段适当控制起升速度，降低载荷对塔机的冲击效应，从而提高塔机运行的稳定性，降低结构安全事故发生的概率。

2 塔机承受的载荷

塔机在工作过程中，往往要承受多种力的作用，如起升载荷、塔机自身的重量、风的作用以及惯性力等。

起升载荷是指塔机提升重物过程中所承受的载荷，包括起升重量和起重小车的重量等。在工程分析建模时，通常用加在起重臂相应位置处的集中力来表示。

塔机结构复杂，重量较大，考虑到塔机的高空作业特点，塔机自身重量对塔机安全的影响不容易忽视。但是，进行工程分析时，常常需要对结构进行简化，在建模过程中需要忽略塔机的某些局部结构。这时，为了计入被简化结构自重的影响，应在相应的位置施加等效的力或用质量单元代替。

塔机是在高空作业。在高空作业环境下，较小的风速也会造成较大的影响。因此，风载荷对塔机的安全性能也有较大影响。在对塔机进行安全分析的时候，需要考虑塔机设计标准中规定的风载荷。风载荷计算公式如下：

其中，Fw——作用在塔机结构上的风载荷（N）；

Cw——风力系数；

Pw—塔机工作环境下的计算风压（N/m2）；

A—塔机垂直于风向的等效迎风面积（m2）。

3 分析模型的建立

对塔机结构的安全性能进行分析时，模型建立的合理与否对分析结果有很大影响。塔机结构复杂，如果不进行简化，就无法进行工程分析，因此，应该对不影响塔机力学特性但几何形状又比较复杂的局部机构进行简化处理。但是，如果模型简化过多，就会导致分析结果不合理，无法应用于指导生产实践[2]。对塔机结构进行合理简化是对其进行安全分析的关键。塔机结构简化应遵循以下原则：简化后的模型不应改变塔机的力学特征；简化后的模型不应与原模型差别过大；约束与外部载荷应与实际情况一致。

基于以上原则，从下面几个方面入手对塔机模型进行简化。

①旋转机构的简化。旋转机构几何形状复杂，建模时应该进行简化。考虑到旋转结构的尺寸特点和稳定性能，将旋转机构用钢结构代替；同时考虑到旋转机构重量较大，不能忽略，于是将旋转机构本身的重量加在旋转机构与塔身接触的相应位置；

②附属机构的简化。塔机结构复杂，包括众多附属机构，但这些机构对塔机结构的力学性能没有什么影响，建模过程中不予考虑。

③爬升架的简化。爬升架主要起到升降塔高的作用，在正常工作过程中，塔高不发生变化，爬升架不起任何作用，因此，建模时省略爬升架。但是，爬升架的重量对塔机的影响不应忽略，应将其重量加在与塔身接触的相应位置；

④司机室的简化。司机室只是用于工作人员操纵塔机，除了其自身重量外，对塔机的结构分析没有什么影响，因此，建模时将其忽略，同时，将其重量施加于其与塔机接触的相应位置；

⑤配重和平衡臂附属部分的简化。建模时这些部分直接忽略，用质量单元代替配重，也只考虑平衡臂附属机构的重量。

⑥塔机与地面接触部分施加固定位移约束；

⑦拉索的简化。起重臂和平衡臂的拉索只受到轴向作用力，因此可以将其简化为杆件。以下各图是塔机部分结构的简化模型。

图1是塔机标准节；图2是旋转机构；图3是平衡臂。

基于上面的简化结果，根据塔机几何尺寸，确定位置坐标，创建关键节点，并通过节点将它们相互连接起来，从而可以得到塔机的分析模型，如图4所示。

图1 塔机标准节

图2 旋转机构

图3 平衡臂

图4 塔机分析模型

4 结论

本文在对塔机功能及特点进行分析的基础上，引入合理的假设并进行必要简化，建立了对塔机结构进行安全分析的简化模型，为塔机的安全设计提供参考。