一種新型臂架起重機塔架結構分析

劉 明 姜明峰 姚 旭 胡辰辰

南通潤邦重機有限公司

1 引言

臂架起重機經多年的發展，在傳統機型的設計、制造方面已形成較完善的體系，我國起重機的國際市場占有率也逐漸提高。隨著國家對節能減排的日益重視，以及輕量化設計理念的推行，各主機廠在降本減重上都在進行各種嘗試。隨著行業的不斷發展，國外同行業出現了多種新型塔架結構型式機型，但在國內仍空缺。

在此行業環境基礎上，對該新型塔架結構進行研究分析，以克服現有結構設計局限，在減重、增效、降本方面提供一種結構優化、制作簡單、自重小、穩定性好的新結構設計形式。

2 起重機結構

圖1為具有新型塔架結構的臂架起重機整體布局，其主要結構包括：底盤及行走機構、回轉機構、塔架結構、起升及變幅機構、配重、臂架、拉桿、滑輪組及其他機構等。根據不同需求，變幅機構型式分為油缸變幅和鋼絲繩變幅，本文將以鋼絲繩變幅為例進行分析研究。

1.底盤及行走機構 2.回轉機構 3.塔架結構 4.起升、變幅機構 5.配重 6.臂架 7.拉桿 8.滑輪組

塔架結構采用上下漸變截面筒體+橫向節點柱+連接板形式，與其他相連部分采用鉸接連接形式，如圖2所示。

1.滑輪鉸點連接板 2.拉桿連接板 3.塔架筒體 4.臂架鉸點連接板 5.回轉鉸點連接板

變截面筒體可采用分段折彎成型，再對接焊拼接，因筒體為變截面設計，對折彎精度有一定要求，需配套合理的折彎工藝。圓柱筒體具有較好的力學性能，在同等結構自重的情況下受力更加均勻，應力更小，從而進一步減少內部加強筋的設計需求。

橫向節點柱一般采用一體折彎成型，僅有一道對接焊縫，受力情況良好，未使用內部橫向加強筋，僅在連接處內部增加部分加強環。

連接板焊接于橫向節點柱端部與外表面，內部未加強即可達到設計要求。鉸軸安裝孔處采用對接厚板形式，使接觸應力更優。

此設計結構更加簡潔、焊接量更少，可減少因焊接變形引起受力惡化。

3 結構受力分析

在完成整機結構設計后，根據GB/T 3811-2008及《起重機設計手冊》等的設計要求，利用有限元分析軟件Ansys對塔架結構進行受力分析，優化結構。

3.1 塔架材料

塔架整體材料選用Q355B材質，主結構板材厚度為16～40 mm，材料性能參數見表1[1]。

表1 材料性能表

3.2 分析前處理

利用Ansys space clam對模型進行抽殼并處理，設置材料屬性，并定義連接，鉸點處設置轉動關節，在塔架與吊臂頭部間增加梁，簡化替代變幅鋼絲繩。網格劃分平均單元長度50 mm，正交網格質量0.974 3，網格質量優秀。為簡化計算，在底部回轉支撐處設置固定約束。

以50 t×36 m工況為例，按照GB/T 3811-2008規定的A3組合施加外力，載荷見表2[2]。

表2 載荷表

3.3 分析后處理

圖3為塔架結構應力云圖，塔架結構應力較均勻，高應力區出現在筒體與橫向節點柱連接處，未出現應力集中且難以消除的情況，整體結構最大應力225.7 MPa小于許用應力值。

圖3 有限元應力分析

根據特征值屈曲分析一般方程進行實際載荷下特征值屈曲分析，分析云圖見圖4。計算得到一階屈曲載荷因子為1.835 8，故可知鋼管屈曲載荷為現有載荷的1.835 8倍，大于GB/T 3811-2008規定A3組合載荷的1.48倍安全系數。

圖4 有限元穩定性分析

3.4 新舊結構對比

新型塔架結構應力分析見圖5，對比分析結果表明，有如下4個方面優點：

圖5 某型箱型結構塔架有限元應力分析

(1)新型塔架受力更均勻，應力集中現象更少，更容易實現結構優化。

(2)新結構加強筋少，降低焊接量，減少焊接變形風險。

(3)塔架與轉臺間采用鉸接，取消此處現場組裝時的焊接作業，使拆裝更加方便；但在連接部分的裝配公差、間隙處理、安裝孔壓應力等的處理方面較為復雜，需要較多設計經驗輔助，否則易造成異響、躥動、結構磨損等問題[3-4]。

(4)新型塔架結構自重小，減重超20%，更有利于底盤設計選型及成本控制。

4 結語

經過系統的結構設計、力學分析及制造工藝研究，此新型式塔架結構具有結構簡潔、受力均勻、結構易優化、焊接量少、制造工藝簡單、拆裝方便、成本低等優點，具有較高的研究價值，為臂架起重機的減重、增效提供一種設計參考方案。