塔式起重机结构刚性及动态优化研究

摘要：塔式起重机广泛运用于工业与民用建筑中，对国民经济的发展起着非常大的作用。同时，塔式起重机作为一种机电类特种设备，其安全性、可靠性也一直是各个塔式起重机设计制造使用管理单位关注的重点。本文简要介绍了国内塔式起重机的发展现状，重点介绍了在塔式起重机结构刚性方面的研究情况，以及动态优化在塔式起重机中的应用情况。针对目前塔式起重机结构刚度及动态特性方面的特点，分析了典型塔式起重机的结构刚度，提出了一种对塔机进行动态优化设计的思路。

关键词：塔式起重机 结构刚度 动态优化

引言

塔式起重机隶属于特种设备目录里的起重机械，是一种回转式的起重设备。塔式起重机的作业空间大，作业范围广，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。随着房地产行业的蓬勃发展，我国的塔式起重机行业也越来越繁荣，尤其是自主品牌的塔机已经成为了国内塔机市场的主角，在满足了国内工程需要的情况下，部分塔机也已远销国际市场，参与到了世界大型项目的建设中。

1.我国塔式起重机发展概况

我国从1954年试制出第一台TQ2-6型塔式起重机以来，塔式起重机的自主生产已有超过50年的历史了。前30年的发展处于缓慢的起步阶段，真正快速发展是近20年的事。在80年代初期，我国塔式起重机有了行业组织，有了科研计划，组织了标准编制，使产品设计开发有章可循，这是塔式起重机近20年发展迅速的重要条件。到目前为止，我国塔式起重机的生产厂家接近400家，年产大大小小的塔机以将近1万台，年产值接近30个亿，从业人员已达到10万多人，生产各种规模塔机已有18种之多。在今后的一段时期里，塔式起重机行业仍将处于稳健发展时期。在产品品种方面将向大型化和微小型发面发展；在技术性能方面将向数字化、智能化和机电一体化方向发展；在结构形式方面将会发展一机多用的塔机，如吊重、布料、高空作业集为一体的塔式起重机，要加大力度研究解决高性能、高技术含量、高可靠性的塔机，最大程度的降低塔机事故率。

2. 塔式起重机结构刚性与动态优化

在物理学的定义中，所谓刚性是指两个物体相碰撞不发生变形的能力，而在工业领域，刚性是指构件在静力负荷作用下，抵抗变形的能力。具体到起重机行业，GB/T3811-83《起重机设计规范》将起重机的刚性分为静态刚性和动态刚性，其中静态刚性是这样描述的：规定的载荷作用于指定位置时，结构在某一位置处的静态弹性变形量。标准中亦规定，对于塔式起重机一般不做动态刚性的校核，当用户或者设计者本身对此有特殊要求时，可进行校核。因此，我们所要重点研究的起重机结构刚性即为起重机的静态刚性，对于塔式起重机的动态刚性，则用在建立在静态刚性基础上的动态优化方法进行分析。

GB/T3811-83《起重机设计规范》对塔式起重机的静态刚性做了量化的要求：塔式起重机在额定起升载荷的作用下，塔身在臂架连接处的水平静位移应不大于H/100，H为塔身在臂架连接处据地面或轨面（对附着式塔式起重机应为最高一个附着点）的垂直距离。由塔式起重机静态刚性的定义及标准要求可知，静态刚性是塔式起重机金属结构的一个力学性能，结构刚性的分析，即为起重机金属结构受力过程的分析，也是起重机金属结构可靠性分析。

3. 塔式起重机结构刚性分析

塔式起重机工作时会受到基本载荷、附加载荷、特殊载荷和其它载荷等四种载荷的作用，在进行金属结构分析时，应按塔式起重机的类型、使用环境和作业工况选取可能出现的载荷组合情况。对于金属结构刚性分析，应选用考虑基本载荷和附加载荷同时作用的情况，它包括塔式起重机在容许的最繁重使用条件下的各种最大载荷，其中包括自重、起升载荷、猛烈启动或制动产生的惯性载荷、工作状态下的最大载荷、水平侧向载荷等。这些载荷组合作用在塔式起重机上时，吊臂端、前吊点、前后吊点中间、后吊点和靠近根部等五个节点位置为典型受力位置。将组合后的力平均分布到各部件相应的节点上，对塔式起重机进行静力学分析。当吊重在吊臂端处时，前吊点上弦杆受最大拉应力；当吊重在前吊点处时，后吊点上弦杆受最大拉应力；当吊重在前后吊点中间处时，后吊点上弦杆受最大拉应力；当吊重在后吊点处时，腹杆受最大拉应力；当吊重在靠近根部处时，吊重处的腹杆受最大拉应力。从以上五个典型受力位置的分析中可以看出，当载荷在前后吊点中间点时受力状态最差，为最危险工况。

4. 基于静态刚性分析的动态优化方法

塔式起重机的动态刚性对塔式起重机动态特性影响最大的参数，其定义是塔身在水平方向的振动频率。虽然目前我国的设计标准并不强制要求对动态刚性进行校核，但这是塔式起重机械设计的未来发展方向。基于静态刚性分析的动态优化方法是指在静态分析的基础上，对满足性能要求的初步设计进行动力学分析，逆向得到结构参数，从而得到一个拥有良好的动、静态刚性的塔式起重机。

5.总结

塔式起重机的安全性一直是相关设计单位、制造单位、使用单位及监督管理检验检测单位特别关注的问题，如何分析塔式起重机的受力情况以及如何评价塔式起重机的安全状况是大家共同追求的目标。本文分析了塔式起重机金属结构的静态刚度，提出了基于静态刚性分析的动态优化方法，弥补了塔式起重机安全评价方法理论数据支撑的不足，达到了分析研究塔式起重机刚度的目的，对提高塔式起重机的安全性，增加起重机的可靠性有一定的作用。

参考文献：

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