塔式起重机的拉杆结构接头优化分析

2023-01-07

1 引言

塔式起重机是一种物料的垂直和水平输送装备, 随着建筑行业的不断发展, 近几年来已经得到了非常广泛的应用, 而塔式起重机的安装和拆卸过程则是最容易出现安全隐患的, 尤其是拉杆在连接安装时的高空作业, 所以对于拉杆结构的优化设计就显得非常重要, 最好是能够满足拉杆结构受力要求的同时, 尽可能地让接头的安装和拆卸变得更加简单和方便。

2 塔式起重机的拉杆结构分析

塔式起重机的拉杆结构是连接塔顶和起重臂、平衡臂的结构部件, 拉杆结构的受力是一个恒定的拉力, 所以大多数情况下所产生的拉杆结构破基本上都是因为拉杆结构焊缝的质量问题, 这就需要保证焊接质量, 才能够更好地保证拉杆结构的整体稳定性, 在应用Link10单元在进行模拟的拉杆静力分析时, 计算结果的科学性和准确性都有待商榷, 容易出现拉杆受压误差问题, 导致计算结果同真正的拉杆结构受力状态不符[1]。

因此对于塔式起重机的拉杆结构, 急需设计出一个制造简单, 结构受力设计合理, 而且连接安装起来又简单方便的装置结构, 比如说设计出快装接头装置来满足现场的快速安装要求, 采用截面法受力分析来计算出拉杆结构的所受拉应力, 并利用Ansys法来分析整体的结构应力, 从而提高拉杆结构装置的实用性[2]。

3 拉杆接头的有限元分析

在塔式起重机的拉杆结构中, 要求拉杆接头锻件不能有夹层和裂痕, 还有凹陷缺陷, 在进行煅烧以后, 正火的温度为860℃, 接头煅边不能有毛刺, 下部为M36mm直径的螺纹结构, 和液压杆之间会用到螺纹结构连接, 上部有通孔, 通孔需要抛光和精磨, 通孔的侧面为M10mm直径的螺纹抽孔, 从实践经验中可以了解到, 一般拉杆接头断裂位置都是在螺纹结构的注油孔上面。一般生产所使用的都是3t拉杆头, 接头的材料属性如表1所示。

在对塔式起重机的拉杆接头结构进行数学建模时, 需要进行有限元分析, 使用计算机三维CAD软件来构建拉杆接头的三维立体模型, 用螺纹孔来替代倒角, 利用Pro/E以及Ansys软件的接口, 将无损伤数据输入到软件中。在有限元分析中, 可以将拉杆结构接头的零件部分划分成为几个比较小的单元, 这样的单元越多的话, 就越能够反映出实际的拉杆接头情况, 计算的准确性可以大幅度提升, 当然, 为了能够尽量减少计算的工作量, 还需要将拉杆结构接头进行solid95 20nodes处理, 这样在有限元分析模型中的单元个数为15550, 节点个数为25956, 如图1所示, 为塔式起重机的有限元分析模型。因而从有限元模型的计算结果可以知道, 塔式起重机拉杆接头结构的荷载应力值是447Mpa, 应变力为1.843*10-3, 而且在注油孔位置的孔壁上面, 在注油孔位置的下部, 应力的应变值最大, 危险也越多, 同时拉杆接头的倒圆处应力和应变结构也很大, 说明有限元模拟的实验结果是准确的[3]。

4 塔式起重机拉杆结构接头优化

设φ、ω为拉杆结构接头圆柱开孔前的荷载力以及膜应力函数, 函数满足Donnell方程, 在坐标系 (r, θ) 中, 复函数σ=ω+iφ/√DEh, 用Donnell方程的解以及边界条件, 能够得出σ=432MPa, 由此可以找到拉杆接头断裂的根源, 从而有针对性地进行结构优化, 如图2所示为改进前后的拉杆结构接头的优化结构图。事实上, 通过减小注油孔直径的方式, 并不能改变拉杆结构的抗拉伸强度, 而且还会起到反作用, 也就是说注油孔是拉杆接头零件失效的主要原因, 要么去掉油孔, 要么提高壁厚, 让润滑油可以从注油孔的两边进油。

5 结语

综上所述, 通过对起重机拉杆结构的受力分析、现场安装进行连接优化设计以后, 可以大幅度提高拉杆结构接头的可靠性、适用性以及安全性, 随着塔式起重机在现代化建筑领域的广泛应用, 人们对于起重机的快速安装, 快速拆除的要求也越来越高, 因而设计塔式起重机连接结构的接头装置具有重要的社会意义和应用前景, 对拉杆结构接头的优化设计和安装要更加人性化、简易化和低成本化, 从而创造出更多的社会生产价值。

摘要：本文主要是以塔式起重机的塔顶与起重臂的连接拉杆为研究对象, 在对传统的塔式起重机拉杆连接方式以及结构形式进行受力分析的基础上, 对当前塔式起重机的连接拉杆方式存在的问题展开讨论, 进而提出全新的设计优化思路, 对传统拉杆结构进行优化改进, 使拉杆接头受力合理, 安装简单, 且便于生产, 在塔式起重机安装和使用的过程中不会出现应力集中问题, 从而实现预期的生产设计目标。

关键词：塔式起重机,拉杆结构,接头,优化