PZQ1400型附着自升塔式起重机下承座环梁的有限元分析

赵小伟，张骞，石小飞，曾光

(华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450015)

0 引言

塔式起重机(以下简称塔机)是机械化建筑施工中不可缺少的起重机械[1]。PZQ1400型塔机金属结构主要由塔身、上承座、下承座、臂架、中心塔等结构组成。下承座的上部通过回转轴承与上承座相连接，下部分别通过抱瓦和螺栓与塔身和顶升套架相连接。设计计算时主要考虑2种危险工况:正常工作时，下承座与塔身接头相连接，并承受所有上部结构重量和吊重；当塔机在顶升引入标准节时，下承座与塔身的连接接头松开，只与顶升套架接头相连，套架承受上部结构所有的重量。PZQ1400型塔机主要技术参数：最大起重量，60 t；最大工作幅度，80 m；最大起重力矩，13 800 kN·m。本文对此型塔机的下承座环梁结构进行上述危险工况下的有限元分析。

1 下承座环梁的金属结构

此机型下承座环梁金属结构由板材焊接而成，采用箱型截面，腹板折弯成圆弧板，下承座结构如图1所示。上部回转圈钻有一圈螺栓孔与回转轴承刚性连接，下部通过水平撑杆连接标准节引进装置，四周通过销轴与下承座的支腿连接，以销轴连接代替传统的螺栓连接，使得下承座安装拆卸方便快捷。

图1 下承座结构

2 下承座环梁结构有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文以自主研发的新产品——平臂吊PZQ1400型塔机的下承座环梁为研究对象。环梁采用箱梁结构。首先在Creo软件中建立起下承座环梁的三维实体模型，然后在其集成界面中将模型导入有限元分析软件的Workbench中进行网格划分和有限元分析，其中的网格划分单元采用实体单元，如图2所示。

图2 环梁结构有限元模型

2.2 边界条件及简化

为了缩短建模和分析计算的时间，在实际建模过程中作出相应的简化处理，省略了一些不影响主体结构受力的次要结构(如引进装置、梯子平台等)，并通过施加重力加速度来保证模型的自重[2]。

表1 环梁四周销轴孔处的载荷大小 kN

为便于加载，弯矩转化为水平方向的力和竖直方向的力来施加。分析计算时对回转轴承法兰盘平面施加6个方向自由度的全约束。

2.3 载荷的施加

下承座环梁结构载荷施加情况如图3所示，臂架沿塔身截面方向的示意如图4所示。设计分析计算时，主要考虑以下2种最不利的载荷组合工况：工况1为顶升工况，液压油缸侧向(图4中塔身截面的A，D侧)顶升，臂架沿塔身截面中心线方向；工况2为工作工况，臂架沿塔身截面对角线方向。

下承座所受的竖向力和不平衡力矩传递到支腿上，再通过支腿与环梁的连接销轴传递到环梁四周的销轴孔处，作用到环梁四周销轴孔处的载荷见表1。

图3 环梁结构载荷施加情况

图4 臂架沿塔身截面方向示意

按表1中的载荷在相应的有限元模型的位置上施加水平和竖直方向上的载荷：对于环梁来说，A，D处X方向载荷的负值和B，C处X方向载荷的正值表示载荷方向为向环梁外部；A，D处的X方向载荷的正值和B，C处X方向载荷的负值表示载荷方向为向环梁内部。

3 下承座环梁的强度和刚度分析

3.1 工况1环梁的强度和刚度

此工况下，臂架方向沿塔身截面中心线的方向，环梁应力和位移云图如图5、图6所示。

图5 工况1环梁应力

图6 工况1环梁位移

环梁的最大应力出现在销轴连接耳板对应筋板与回转法兰腹板连接处，应力值为182.86 MPa，采用材料为Q345C，安全系数取1.34，许用应力为345/1.34=257.5 MPa，故满足材料许用应力要求。在环梁销轴连接耳板与上翼缘板连接处出现极大应力值，293.47 MPa,在极限应力范围内，满足应力要求。环梁最大静位移出现在销轴连接耳板与上翼缘板连接处，位移值小，刚度好。

3.2 工况2环梁的强度和刚度

此工况下，臂架方向沿塔身截面对角线的方向，环梁应力和位移如图7～9所示。

图7 工况2下环梁应力

图8 工况2下环梁局部应力

图9 工况2下环梁位移

环梁的最大应力出现在销轴连接耳板对应筋板与回转法兰腹板连接处，应力值为205.73 MPa，满足材料许用应力要求。在回转圈脖子内侧的加强筋板与固定约束法兰面连接处出现极大应力值329.19 MPa，接近材料的屈服应力，由于其筋板刚度的问题，形状突变导致应力集中现象，因此也满足应力要求。环梁最大静位移出现回转圈脖子内侧加强筋板与固定约束法兰面连接处，位移值较小，刚度好。

环梁箱型梁下盖板局部应力如图10所示，环梁主结构箱型梁下盖板最大应力为95.89 MPa。

图10 工况2下环梁箱型梁下盖板局部应力

工况2比工况1的极大应力大，工作工况下，回转圈脖子内侧加强筋板与固定约束法兰面连接处应力情况接近材料的极限，加强劲的自身刚度不足导致形状突变而产生应力集中，宜采用适当修改筋板几何尺寸的办法来消除此现象。

4 环梁的主结构强度的传统计算

环梁可简化为受均布载荷作用的简支梁(忽略与轴承连接的大法兰，即脖子)，环梁截面尺寸如图11所示。

图11 环梁截面尺寸

起重机在正常工作工况时的应力比顶升工况的应力更大，所以取工作工况下的应力来计算产生的均布载荷，并忽略环梁自身的重量。

工作工况下竖向力产生的均布载荷

(1)

式中：V为整体塔机作用至下承座处的竖向力，3 100 kN；d为回转轴承连接法兰螺栓中心线直径(外齿)，2.955 m。

弯矩产生的均布载荷

(2)

环梁所受均布载荷

q=qG+qM=334+1 904=2 238(kN/m) ，

(3)

式中：M为不平衡弯矩，13 050 kN·m。

跨中弯矩

2 353 (kN·m) ，

(4)

式中：l为塔身截面中心线尺寸，2.9 m。

最大弯曲正应力

117.7 (MPa)<[σ] ，

(5)

式中：环梁材料为Q345C，板厚在16 mm与35 mm之间，屈服应力σs=325 MPa，安全系数n取1.34，许用应力[σ]=σs/n=242 MPa。另外，考虑到连接轴承的大法兰的作用，环梁的实际弯曲应力要小于该值。

5 结论

(1)通过比对分析下承座环梁截面的应力结果，有限元分析结果和传统计算结果基本一致，说明模型简化和载荷施加的合理性。

(2)通过运用三维设计软件Creo建立起下承座环梁的实体模型，然后导入到Workbench有限元分析软件中对其进行危险工况下的有限元分析，为同类型结构的设计提供了一种途径。