移動式港口起重機塔身及拉桿設計分析

王 建 肖仕開 楊佳衛

南通潤邦重機有限公司

1 引言

在港口移動式起重機中，因塔身比較高，常用后拉桿固定塔身上端和轉臺下端，起到減少下端轉臺變形和上端塔身變形的作用。通過后拉桿將塔身從長懸臂粱變成短懸臂梁型式，能顯著降低塔身的彎曲應力，減小塔身截面，從而降低塔身自重。圖1為塔身及后拉桿模型，其中后拉桿部分包括橫拉桿，斜拉桿和豎拉桿。

1.斜拉桿 2.塔身 3.橫拉桿 4.豎拉桿 5.轉臺圖1 塔身及后拉桿模型

而后拉桿上端鉸點需設計在什么位置，拉桿截面需加強到什么程度，在各規范中并無明確的說明。為此，通過不同工況的計算，對塔身變形的數據進行分析對比，為塔身和拉桿的設計提供參考。

2 塔身受力變形分析

2.1 計算模型的建立與約束

采用Ansys有限元分析軟件，通過Beam189粱單元建立某機型設備的塔身、轉臺和拉桿模型。拉桿體系與塔身和轉臺結構通過鉸接型式連接在一起，僅釋放Z方向的旋轉自由度。

2.2 載荷分析

僅對塔身的變形進行分析，不涉及到結構的強度計算，而塔身的變形由上部滑輪載荷影響，因此簡化計算模型，取消塔身臂架鉸點和變幅油缸鉸點的力加載。主要加載塔頂滑輪鋼絲繩力、轉盤處的配重自重和結構自重。

2.3 有限元分析

先計算兩種工況：

工況1：在拉桿上鉸點位于23.185 m塔身高度下，加載常規載荷力。

工況2：取消后拉桿情況下，加載常規載荷力。

在相同受力情況下，有拉桿和無拉桿的塔身變形大小見圖2和圖3，計算得出2種工況下塔身前端變形值相差22.77 mm，通過加后拉桿可以減少塔身25.4%的變形；轉盤配重處加拉桿工況時往上變形12.83 mm，不加拉桿工況時往下變形72 mm，因此增加后拉桿系統可控制盤配重部分的變形。

同時，為研究塔身截面、拉桿截面及上拉桿設計高度對塔身和轉盤變形的影響，以后拉桿距離下端面高度作為變量，并通過調整后拉桿和塔身截面來分析塔身的變形情況，共計算了24種工況并進行分析對比，計算結果見表1。

圖2 帶拉桿X方向塔身位移圖

圖3 不帶拉桿X方向塔身位移圖

表1 塔身變形分析結果

2.4 分析結果

通過以上塔身變形分析結果，可以得出以下結論。

(1)通過增加拉桿可以降低塔身和轉盤變形，拉桿位置越高，變形越小，拉桿高度每增加1 m時，變形最大減小約1.72%左右，越靠近頂端變形減少越小。增加后拉桿后，轉盤剛度可以滿足要求，而不需要額外增加轉盤截面積，可減小轉盤自重。

(2)拉桿加粗26.4%截面積后，塔身變形減少最大值為0.52%，說明拉桿截面加大對于塔身變形影響較小，在保證強度的前提下，不建議通過加大拉桿截面積來減少塔身變形。

(3)塔身厚度加厚4 mm，塔身截面積變大33%后，塔身變形減少約9.1%，可以得出塔身變形主要依靠塔身自身的截面特性來控制。

綜上，在移動式起重機設計過程中，應主要依靠改變塔身自身的截面特性來控制塔身變形，通過布置后拉桿來控制轉盤變形，加大后拉桿截面對塔身變形影響較小，后拉桿布置位于一定高度后，再提高后拉桿高度對塔身變形影響較小。本案例中，塔身高度為23.185 m，按懸臂粱1/350控制變形需小于66.24 mm，因此需主要通過增加塔身截面積來控制變形。

3 結語

通過有限元計算分析，可清楚了解影響移動式起重機塔身變形的主要因素，便于總體設計時定義塔身截面、后拉桿的設計高度尺寸，既提高了設計效率，也避免了僅單純考慮塔身截面或是拉桿高度的設計誤區。