QTZ25塔機的靜力學及模態分析

王 波，韓 強,尹 晨，宋峻嶺

（江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003）

塔機的強度和振動頻率是影響塔機壽命和穩定性的重要因素，因此對塔式起重機進行靜力學和振動的研究是十分要必要的。本文基于C A E技術，利用有限元分析軟件ANSYS對塔式起重機QTZ25進行建模，分析了三種加載在塔式起重機上的典型的工況，得出了塔式起重機在三種工況下的靜力學應力和應變云圖，找出塔式起重機各個工況下的危險位置，為其塔機的改進提供參考。提取出塔機的前5階振動模態，為其他動力學響應提供研究依據。

1 塔機的靜力學分析

首先計算在載荷35m處的應力應變，重物等效為對稱施加在326和327兩節點上的垂直集中載荷。對QTZ25塔式起重機進行求解計算，計算出塔式起重機的各個節點和單元的位移與應力。通過ANSYS的后處理，能夠直觀地顯示出塔式起重機的應力云圖和應變云圖。

圖1 載荷施加在35 m處位移變形

圖2 載荷施加在35 m處應力分布

由圖中可以觀察出，塔式起重機的最大應變處發生在臂尖處。

起重機的最大應力處為起重臂架和塔身的銜接處，最大的應力173.569 MPa。起重臂從拉桿與起重臂的相接觸的地方至塔尖明顯有比較大的變化。機構有向重物傾覆的趨勢，符合實際情況。

文章主要對比分析每種工況在不同位姿時所受的應力以及位移的大小，具體數值如表1所示

表1 應力以及位移t

由表1可得，最大應力和最大應變值隨著起重臂工作半徑的減少而下降。可以知道最危險工況就是在臂尖處施加載荷為10000 N處的工況，此處的應力和應變均為最大，應盡量避免起吊物長時間停留于這個位置。

通過比較可得三種情況下應力最大值為173.569MPa,塔式起重機的最大應力值小于Q235C的最大應力值175 MPa，滿足起重機的規范設計要求，但是需要注意的是最危險工況很接近塔式起重機的許用最大應力值，在塔式起重機工作時要引起注意。

由一系列變形圖可知塔式起重機發生的最大應變在最大在臂尖處，與實際情況是相互吻合的。最大位移處始終在臂尖處，且鋼絲繩與上弦桿連接處為最大的變化率處，因而此處不僅需要很高的強度，也需要更好的韌性。

2 塔機的模態分析

在有限分析軟件ANSYS中，有限元分析程序一共提供了7種模態分析方法。對于多自由度系統，分塊Lanczos算法有求解精度好、計算效率高的特點，所以在塔式起重機有限元模型的模態分析過程中，采用分塊Lanczos法進行具體求解。

可得到ANSYS前五階頻率：0.25096 E-3、0.57063 E-3、0.63343 E-3、0.16190 E-2、0.19324E-2.

對應于5階模態的塔身起重臂的振動變形分別為：第1階振型為起重臂左右擺動，第2階振型為起重臂上翹，第3階振型為起重臂和平衡臂左右擺動，第4階振型為起重臂上翹，第5階振型為起重臂扭轉。

3 結語

通過以上分析，可得到如下結論：QTZ25塔式起重機在運行過程中：

（1）最危險的工況一般比較靠近臂尖；

（2）塔機工作時上弦桿會受到比較大的應力；

（3）最大位移處始終在臂尖處，且鋼絲繩與上弦桿連接處為最大的變化率處，設計時應該加以注意；

（4）根據各階振型圖可知，塔式起重機的各階共振頻率均較低且相差不大，在使用過程中要注意避免吊繩的擺動和載荷的施加與釋放等低頻源激擾。

[1]徐樹東.塔式起重機結構分析中有限元技術的應用[J].建筑機械化2006，(3):21-25.

[2]吳啟鶴.塔式起重機的應用與計算[M].四川：四川科學技術出版社,1995.

[3]胡留現，李一帆.塔式起重機靜力學及模態分析研究[J].洛陽理工學院學報，2010，20(1):35-39.