建筑塔式起重機的故障分析和結構改進方法

肖輝　李超　楊代云

摘 要

為解決某型號塔式起重機平衡臂結構開裂失效故障，研究分析建立了一種以有限元模型分析和解決故障的方法。分析發現現有平衡臂結構變形和應變過大是導致故障的原因，平衡臂結構改進后兩種極限工況下的變形和應力分別減少了84.5%、43.2%和86.1%、86%，得到了一種可提高平衡臂使用壽命、降低故障率的結構改進方案，從而達到高效診斷故障和解決故障的目的，為塔式起重機結構設計和故障診斷提供了一種高效的計算方法。

關鍵詞

塔式起重機;平衡臂;極限工況;故障診斷

中圖分類號： P313.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.045

0 引言

塔式結構的起重機廣泛用于我國建筑行業中，配合變幅小車以及回轉臺，能在以規定的最大起重幅度和最高起吊高度構成的圓柱空間內快速轉運重物[1]。塔式起重機主要由動力部分，控制部分和金屬結構部分組成。金屬結構是塔式起重機承受負載的承重金屬框架，由多種截面形狀的連桿焊接而成，包括：塔身，塔帽，起重臂，平衡臂，拉索等，如圖1所示。塔身由多個標準節通過螺栓固接，塔身與底座固接，根據實際使用要求，底座與地面有固定式和移動式等連接方式。塔帽與塔身之間通過回轉臺連接，可實現起重臂回轉起吊不同方向的重物的功能。起重臂和平衡臂分別通過螺栓固接在塔帽兩側，并通過拉索與塔尖連接。塔式起重機變幅起吊過程中，各金屬桿件連續承受隨機變化的拉壓載荷以及力矩作用。實踐證明，塔式起重機金屬結構失效開裂、變形是最為常見的故障。

為解決某型號塔式起重機平衡臂變形和開裂問題，構建該機型的有限元模型，通過對比結構改進前后有限元分析結果，為解決該機型變形和開裂問題提供了分析依據。

1 建立有限元模型

1.1 搭建三維模

塔式起重機金屬構件按照功能可分為：塔身、回轉臺、塔帽、起重臂、平衡臂、拉索等，由不同截面形狀的冷拔鋼桿件組成。塔身標準節以及塔帽由4根立柱以及焊接在立柱間的斜拉桿構成，起重臂以及平衡臂由上下弦桿以及之間的斜拉桿構成，拉索為圓鋼制成的連桿連接而成[2]。表1所示為組成該機型的各金屬桿件的截面參數。

根據表1所示截面形狀，基于Pro/e建立的該型號塔式起重機三維模型：10節標準節通過螺栓連接構成塔身，單節塔身標準節高度3M，塔身總體高度30M。3節起重臂單元通過螺栓連接構成起重臂，單節起重臂單元長度15M，起重臂總體長度45M。平衡臂長11M，末端放置配重。如圖2-5所示。

1.2 建立有限元模型

1.2.1 模型簡化分析

有限元模型簡化遵循的原則：（1）為保證建模準確性，應保證有限元模型整體尺寸與實際尺寸一致;（2）為提高仿真效率，尺寸小，質量集中的結構，在不影響準確性的前提下，可對模型簡化處理。（3）有限元模型可不體現控制部分、動力部分、變幅小車、配重塊等結構外形特征，只需在相應安裝位置施加力載荷進行等效替換[3]。

根據三維模型結構尺寸等特征參數，在ANSYS中設置好單位，確保有限元模型尺寸參數與實際尺寸參數一致。

金屬結構除了框架，還包括回轉臺、駕駛室等結構。該部分結構質量集中，且尺寸遠小于塔式起重機整體尺寸，在整機有限元模型中，可使用梁單元進行等效處理，保證模型準確可靠的前提下，避免具有不同節點的單元連接問題，提高建模以及計算效率。

鋼絲繩質量和尺寸遠小于塔機整機重量和尺寸，有限元模型中可忽略不計。用施加在變幅小車位置處豎直向下的作用力來等效處理起重負載。

用剛性連接建立約束關系表示塔式起重機各結構模塊間的螺栓連接，限制相鄰兩構件螺栓連接處節點的6個自由度[4]。

1.2.2 單元及連接選擇

基于TIMOSHENKO梁理論的3D線性有限應變梁單元BEAM188是一個具有二節點的三維線性梁，每節點具有6個自由度，適用于線性分析以及大偏轉和大應力的非線性分析，并且能定義任何材料截面形狀，適用于分析細長的梁桿機構[5]。塔身標準節、起重臂、平衡臂以及塔帽結構主要承受的負載為拉壓力以及彎矩，表現出較大的靜位移和應力，且組成桿件具有多種截面形狀，具有不同的轉動慣量。因此，該型號塔機采用BEAM188單元進行網格劃分求解。

塔身標準節之間、塔身與塔帽之間以及塔帽與起重臂和平衡臂之間均為螺栓連接，限制了兩組成構件重合部分的6個自由度，等效于剛性連接。在構建有限元模型時，采用簡化的方法進行處理，使用剛性連接限制螺栓連接處的自由度[6]。

1.2.3 載荷簡化

塔式起重機承受的載荷主要有負載重量、配重、動力和控制系統部分重量、塔機自重等。

該型號的塔式起重機塔身高度30M，起重臂長45M，起重性能為：起重機最大起重載荷為2t，配重質量2.8t，吊幅在18-32M的起重載荷均為2t，吊幅在35 M、40M和45M的起重載荷分別是1.68t、1.4t和1.3t。動力系統、控制系統以、操作手及塔身自重總重量2.5t，用作用在塔機質心處的載荷來等效該部分重量。該型號機型底座與地面為固定式，不可移動，因此，在有限元模型中需限制塔底座元素的所有自由度。

1.2.4 有限元計算和結果分析

塔機主要材料Q345B的屈服強度3.45×108 Pa，彈性模量206GPa，泊松比0.27，密度7850kg/m3，結合Pro/e三維模型、表1所有的塔機各主要結構的截面參數以及負載情況建立的有限元模型如圖6-7所示。該模型由2442個單元，2169個節點組成。

為解決塔機金屬構件的失效、開裂問題，需分析考慮極限工況下塔式起重機的變形和應力分布情況，塔式起重機極限工況有兩種，一種是吊幅最小，起重質量最大，另一種是吊幅最大，起重質量最小。設定工況一為：吊幅18M，起重量2t;工況二為：吊幅45M，起重量1.3t。工況一、二的塔機配重和塔機自重均相同，分別為2.8t和2.5t。

在有限元模型上添加相應載荷，計算結果如圖9 - 11所示。工況一和工況二的最大位移和最大應力位置均發生在平衡臂尾端，最大變形量分別為243mm和214mm，最大應力值分別為2.80×108Pa和2.79×108Pa。平衡臂尾端長時間在較大變形量的情況下，且連續承受配重以及來自拉索的變化負載作用，最先也最容易表現出失效和開裂。

通過計算結果可知：由于結構原因，該型號塔式起重機應力和變形最大位置均為安裝配重的平衡臂上，且變形和應變值均較大，可以預測該類型塔式起重機平衡臂故障較多，這與實際使用當中表現的故障類型一致，驗證了模型的有效可靠性。

2 塔機結構改進設計

2.1 結構改進方案

在平衡臂所受負載確定的情況下，通過結構改進，提高平衡臂整體的剛度和強度，達到減小平衡臂變形和應力集中的問題。圖12所示為該平衡臂的原始結構簡圖，結構改進后的平衡臂結構如圖13所示，通過增加斜拉桿達到提高平衡臂剛度和強度的目的。

2.2 結果對比分析

在保證所有載荷和約束不變的前提下，計算工況一和工況二下的最大變形和應力。結果表明：該種改進方法能夠明顯減小塔機變形：工況一的最大變形由結構改進前的243mm減小到結構改進后的34.6mm，減小了84.5%;最大應力由結構改進前的2.80×108Pa減小到結構改進后的0.39×108Pa，減小了86.1%。工況二的最大變形由結構改進前的213mm減小到結構改進后的121mm，減小了43.2%;最大應力由結構改進前的2.79×108Pa減小到結構改進后的0.39×108Pa，減小了86%。結果表明按照該種方式改進的平衡臂應變和應力情況均遠小于結構改進前的情況，最大應力值遠小于Q345B的屈服強度3.45×108 Pa，滿足受力情況要求，可提高平衡臂的使用壽命，可減少故障的發生。

在有效可靠的有限元模型上進行的結構改進分析結果表明，該種結構方案不僅能驗證和預測實際使用中出現的故障，還能為出現的實際故障提供解決方案，改進后的平衡臂結構符合安全使用的要求。

3 結論

通過有限元模型分析發現該種型號的塔機平衡臂在兩種極限工況下較大的變形和應力是導致故障發生的原因所在，平衡臂連桿連接處的應力值已經達到2.80×108Pa，接近材料的屈服極限。在后期結構改進時應著重提高平衡臂結構的整體剛度和強度，降低其變形和局部應力。本研究的結論總結如下：

（1）通過與實際使用情況比對，分析和簡化模型，建立了有效可靠的有限元模型。

（2）有限元模型分析發現塔機平衡臂結構原因是導致故障的主要原因，并提供了一種有效可靠的結構改進方法。

（3）建立在有限元模型上的結構改進設計方法，可以推廣應用到塔機其他結構在設計階段的故障的預測，可提高塔機故障檢測和分析的效率。

參考文獻

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[2]符國炎.基于ANSYS的塔式起重機結構分析[J].設計計算，2019（5）.

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