塔式起重机平衡臂主肢截面变化引起的宏观表征

迟 鹏 宋世军 崔康基 马 磊
山东建筑大学 济南 250100

摘 要：为分析塔式起重机钢结构材料几何尺寸变化对塔身顶端轨迹的影响，减少塔机防倾翻监控技术的误差和误判率。文中通过对塔式起重机的有限元分析, 找到平衡臂主肢材料截面在公差范围内的变化对塔身顶端轨迹的影响和干扰规律，通过平头式塔式起重机6010 有限元分析，从特征点位移、应力变化、固有频率、动态特性四个方面分析了平衡臂主肢几何形状在国家标准允许范围内变化时的影响，从而为确定塔式起重机钢结构其他部分材料变化的钢结构损伤特征信号模型打下基础。

关键词：塔式起重机；特征点位移；损伤特征模型

中图分类号：TH213.4 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）12-0042-04

0 引言
塔式起重机（以下简称塔机）的钢结构损伤快速监测是一个困扰行业的难题，一方面由于塔机钢结构一般是现场组装而成，结构模块之间的连接难以达到设计理想状态，造成理论上的结构损伤普遍存在；另一方面是塔机安装地点偏远，塔机钢结构体积大，监测投入费用低，塔机钢结构损伤快速监测方面的技术发展缓慢。钢结构静动态响应分析是钢结构损伤诊断技术之一，近年来，塔机防倾翻监控技术得到了许多企业和地市级安检部门的认可，其技术路线是通过监测塔机塔身顶端轨迹[1] 识别塔机钢结构健康状态。塔机防倾翻监控技术对于直接导致塔机倾翻事故的重大危险源快速监测效果较好，但进一步分析塔机钢结构损伤发生部位就需端轨迹对塔机钢结构损伤的灵敏度。塔身顶端运动轨迹的影响因素很多，有一些塔机生产制造过程引入的误差也会造成塔身顶端轨迹的变化。如材料不均匀和随机性会直接导致塔身顶端轨迹的异常。

为分析塔机钢结构材料变化对塔身顶端轨迹的影响，减少塔机防倾翻监控技术的误差和误判率，可通过对塔机的有限元分析找到平衡臂主肢材料截面在公差范围内的变化对塔身顶端轨迹的影响和干扰规律，从而为确定塔机钢结构其他部分材料几何尺寸变化的钢结构损伤特征信号模型打下基础。

1 有限元模型的建立

塔机钢结构包括底架、塔身、上下转台、回转支承、回转塔身、塔帽、起重臂、起重臂拉杆、平衡臂、平衡臂拉杆、变幅小车等部分。一般而言，吊载起重工况塔身相对塔身中心铅垂线向起重臂方向变形，空载（非吊载工况）塔身相对塔身中心铅垂线向平衡臂方向变形。塔机空载工况在不考虑风载荷和各种惯性载荷情况下塔身承受的载荷主要是上部质量在重力场产生的重力[2]，是一个常量；而吊载起重工况塔身承受的载荷主要是起重载荷相对塔身起重力矩空载工况塔身载荷之和，是一个随起重载荷变化而变化的变量；为了研究材料截面几何特性相对理论公称值的误差对塔身顶端轨迹的影响，选择空载工况的平衡臂主肢截面为变化量。这样需要建立塔机整机有限元模型，按国标要求建立平衡臂主肢截面变化的数据。

1.1 建立模型
以平头式塔机6010 为例， 进行Ansys 建模， 选用Beam 188 单元，设定材料属性泊松比为0.3，密度7800 kg/m3，弹性模量210 GPa，在标准节之间采用固连，在塔身与回转塔身之间采取固连，回转塔身与起重臂、平衡臂之间采用节点耦合处理，平衡臂与回转塔身连接的拉杆两端都采用节点耦合处理。起重臂节之间采用固连。在塔机模型中，塔身轴线垂直地面方向作为Y 轴，平衡臂起重臂轴线作为X 轴，Z 轴同时垂直塔身轴线与平衡臂起重臂轴线，整机模型以及应力云图如图1 所示

图1 塔机模型及盈利云图

1.2 模型合理性分析
把实际测得的在相同工况下相同位置的应力值[3]同Ansys 中分析计算的应力值进行比较。如表1 所示，Ansys 所测应力值与实际应力值相差范围在百分之十以内。验证了所建Ansys 模型的合理性。

2 仿真模拟方案
2.1 截面尺寸的确定以及截面差等级划分
通过在国标[4] 允许的误差范围内改变平衡臂两主肢的截面尺寸，其中H、B、d 分别为热轧槽钢的高度、腿宽度、壁厚度，如图2 所示。选取5 种具体截面尺寸数据，按面积由大到小排列, 如表2 所示。

图2 热轧槽钢截面图

本文定义A、B 分别代表平衡臂两条主肢梁的截面变化等级（A、B 具体位置见图1c）。将A、B 两截面尺寸按面积之差分为9 个组合，在组合1 5 中保持A梁处于截面最小，B 梁截面从大到小逐渐变化；在组合5 9 中保持B 梁截面最小，A 梁由小到大逐渐变化。当两截面面积差为0 时，视为理想状态，具体组合数据见表3。

2.2 塔身顶端轨迹特征点的确定
如图2 所示，由于塔身顶端轨迹的特征点基本要求是在塔身顶端回转塔身主肢上的点，本文选图1c 中回转塔身与平衡臂耦合点相邻的单元a 为测量单元，测量单元的端点b 为特征点。

3 数据分析
3.1 特征点数据分析
由A、B 粱截面几何尺寸的变化产生的9 个组合，对应的特征点应力和Z 向位移如图3 所示。从图3 中可以看出，空载工况下，截面几何尺寸相对误差趋近于零特征点应力值最小，两截面几何尺寸存在误差的时候（截面差等级1 4 和6 9）会导致特征点应力随误差的增大而增大。Z 向偏移随着截面差等级从1 9 变化而增大。

图3 特征点数据分析曲线图

3.2 拉杆数据分析
从图4 可以看出，两拉杆应力在A、B 主肢材料截面几何尺寸相对误差为零的情况下相同，拉杆应力变化：拉杆1 所连接的主肢梁即A 梁在截面差等级1 5变化过程中基本不变；拉杆2 所连接的梁即B 梁在截面误差等级5 9 变化过程中基本不变。由此，可得出拉杆应力随连接的梁所相对的梁截面变化而变化，拉杆应力之差与A、B 主肢材料的不均匀有关。

图4 不同状态的拉杆应力

3.3 整机频率分析
通过分析前10 阶不同截面尺寸的固有频率得出：

最大变化位于第8、9 阶频率上，最大变化值为0.037 2，变化趋势如图5 所示，其他阶数的频率值变化不明显。

图5 第8 阶、第9 阶频率图

在图6 中，通过观察截面差等级1 固有频率与等级5 的固有频率差在前30 阶频率的值，可以看出，随着固有频率的增加，平衡臂主肢截面尺寸变化会影响固有频率值。当两主肢截面尺寸不同时对第8、9 阶固有频率有影响，本文仿真到第30 阶，其影响如图6 所示。图5 绘制了第8、9 阶固有频率在截面等级1 9 时的数值，可以看出，第8、9 阶固有频率随着截面差的增大而增大。

图6 各阶频率极差

4 结论
综上所述，平衡臂主肢截面误差会引起特征点位移，对整机固有频率第8、9、18、19、28、29 阶有影响，进而使平衡臂拉杆应力出现变化，会影响健康诊断信号的准确性。

在空载状态下，在国标允许范围内平衡臂主肢截面误差引起的特征点部位应力变化范围为（-106.05MPa，-105.76 MPa），特征点b 的Z 向偏移变化范围为（0.041 m，0.152 mm），平衡臂拉杆应力随连接梁所相对的梁截面几何尺寸变小而变小，当其所相对的梁截面几何尺寸不变时，拉杆应力变化幅度非常小，两平衡臂拉杆应力变化范围在（179.70 MPa，180.07MPa）。

本文通过有限元分析，确定了由塔机平衡臂主肢截面尺寸误差引起的特征点部位应力、特征点位移、塔机整机结构固有频率的变化特性，可进一步继续分析起重臂、塔身标准节、回转塔身等结构材料几何尺寸不均匀对信号的影响，为塔机的振动测试及健康诊断过程中的噪声建模打下基础。

参考文献
[1] 宋世军，程录波，李蕾，等. 塔式起重机塔身顶端轨迹特征研究[J]. 起重运输机械，2014(6)：49-53.
[2] 边晓伟，杨东东，张帆. 塔式起重机结构有限元设计计算[J]. 建筑机械，2017(10)：54-57.
[3] 山东省特种设备检验研究院.QTZ80 特种设备型式试验报告[Z]. 特种设备型式试验报告，SY-QZX-2015-0058.
[4] GB/T 706—2016 热轧型钢[S].
[5] 沈荣胜，王胜春，王积永. 基于Ansys 的塔式起重机振动模态分析[J]. 起重运输机械，2011(9)：68-70.

来源：起重运输机械