動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的深度剖析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展的進(jìn)程中，各類建筑工程如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，建筑規(guī)模日益龐大，高度持續(xù)攀升，結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜。在這樣的大環(huán)境下，動臂式塔式起重機(jī)作為建筑施工中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著材料吊運(yùn)、設(shè)備安裝等核心任務(wù)，在整個建筑施工環(huán)節(jié)中占據(jù)著無可替代的重要地位。其高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，直接關(guān)系到建筑工程能否順利推進(jìn)。動臂式塔式起重機(jī)與其他類型的起重機(jī)相比，有著獨(dú)特的優(yōu)勢。它的起重臂可通過改變仰角來實(shí)現(xiàn)變幅操作，這種變幅方式使其在復(fù)雜的施工場地中能夠靈活作業(yè)，尤其是在空間有限的環(huán)境下，如城市密集建筑群中的施工場地，動臂式塔式起重機(jī)能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，避免起重臂與周邊建筑物或其他設(shè)備發(fā)生碰撞，保障施工安全。此外，在一些特殊的建筑結(jié)構(gòu)施工中，如高聳的電視塔、大型橋梁的建造等，動臂式塔式起重機(jī)可以根據(jù)施工需求，精準(zhǔn)地調(diào)整起重臂的角度和位置，完成高精度的吊運(yùn)和安裝任務(wù)，確保工程質(zhì)量。然而，在實(shí)際工作過程中，動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會受到諸多復(fù)雜因素的影響。一方面，內(nèi)部激勵源眾多，起升機(jī)構(gòu)在起吊重物時，會產(chǎn)生沖擊力，使起重機(jī)結(jié)構(gòu)承受額外的動載荷；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動過程中，由于慣性作用，會引發(fā)結(jié)構(gòu)的振動；變幅機(jī)構(gòu)在改變起重臂仰角時，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生變化。這些內(nèi)部激勵源相互作用，使得起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處于復(fù)雜的動態(tài)受力環(huán)境中。另一方面，外部干擾也不容忽視，風(fēng)荷載是常見的外部干擾因素之一，不同強(qiáng)度和方向的風(fēng)作用在起重機(jī)上，會產(chǎn)生風(fēng)阻力和風(fēng)力矩，影響起重機(jī)的穩(wěn)定性；地震作用雖然發(fā)生概率相對較低，但一旦發(fā)生，會對起重機(jī)結(jié)構(gòu)造成巨大的沖擊，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。這些復(fù)雜的因素會使動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生振動和變形。振動不僅會影響起重機(jī)的工作效率，降低吊運(yùn)作業(yè)的精度，還會使操作人員感到不適，影響操作的準(zhǔn)確性；長期的振動還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的疲勞損傷，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命。而過大的變形則可能使結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，深入研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，對于保障起重機(jī)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。通過對動態(tài)特性的研究，可以準(zhǔn)確掌握起重機(jī)在不同工況下的振動響應(yīng)規(guī)律，從而為制定合理的安全操作規(guī)程提供科學(xué)依據(jù)。例如，在強(qiáng)風(fēng)天氣下，根據(jù)對動態(tài)特性的研究結(jié)果，可以確定起重機(jī)的安全工作范圍，避免在危險工況下作業(yè)，降低安全事故的發(fā)生概率。此外，還能為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，通過分析振動應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，預(yù)測結(jié)構(gòu)部件的疲勞壽命，及時對疲勞損傷嚴(yán)重的部件進(jìn)行更換，確保起重機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。從提升工作效率的角度來看，研究動態(tài)特性同樣具有重要價值。通過對動態(tài)特性的研究，可以優(yōu)化起重機(jī)的操作流程，減少不必要的起制動和變幅動作，降低振動和沖擊的產(chǎn)生，從而提高工作效率。例如，根據(jù)對起升機(jī)構(gòu)動態(tài)特性的研究結(jié)果，可以調(diào)整起升速度和加速度的變化規(guī)律，使起吊過程更加平穩(wěn)，減少重物的擺動，提高吊運(yùn)作業(yè)的效率和精度。在指導(dǎo)設(shè)計(jì)制造方面，研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性是推動技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級的關(guān)鍵。通過深入研究動態(tài)特性，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足之處，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供方向。例如，根據(jù)對起重臂動態(tài)特性的研究結(jié)果，可以優(yōu)化起重臂的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，提高其抗振性能和承載能力；采用先進(jìn)的材料和制造工藝，降低結(jié)構(gòu)的重量，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，從而提升起重機(jī)的整體性能，滿足日益增長的建筑施工需求。1.2研究現(xiàn)狀在動臂式塔式起重機(jī)動態(tài)特性研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，取得了豐富的成果。國外對動臂式塔式起重機(jī)動態(tài)特性的研究起步較早，積累了深厚的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。一些發(fā)達(dá)國家如德國、美國、日本等，憑借先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，在研究中處于領(lǐng)先地位。德國的學(xué)者注重對起重機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的深入研究，通過建立精確的數(shù)學(xué)模型，對起重機(jī)在各種工況下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。他們運(yùn)用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如振動測試、應(yīng)變測量等，對理論模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，為起重機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了可靠的依據(jù)。美國的研究則側(cè)重于利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對動臂式塔式起重機(jī)的動態(tài)特性進(jìn)行模擬分析。通過建立三維模型，考慮多種因素的影響，如結(jié)構(gòu)非線性、材料特性等，能夠更真實(shí)地反映起重機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)。日本的學(xué)者在起重機(jī)的控制技術(shù)方面取得了顯著的成果，他們通過研究動態(tài)特性，開發(fā)出先進(jìn)的控制系統(tǒng)，有效抑制起重機(jī)的振動和沖擊，提高了起重機(jī)的穩(wěn)定性和工作效率。國內(nèi)在動臂式塔式起重機(jī)動態(tài)特性研究方面也取得了長足的進(jìn)步。隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對起重機(jī)的性能要求不斷提高，國內(nèi)學(xué)者加大了對這一領(lǐng)域的研究力度。一些高校和科研機(jī)構(gòu)如清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院等，在動臂式塔式起重機(jī)動態(tài)特性研究方面開展了深入的研究工作。他們通過理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等多種方法，對起重機(jī)的動態(tài)特性進(jìn)行了全面的研究。在理論分析方面，學(xué)者們深入研究起重機(jī)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，建立了多種動力學(xué)模型，如多自由度模型、有限元模型等，對起重機(jī)的固有頻率、振型、振動響應(yīng)等動態(tài)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析。在實(shí)驗(yàn)研究方面，通過現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為理論研究提供了有力的支持。在數(shù)值模擬方面，利用先進(jìn)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的建模和分析，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測起重機(jī)在各種工況下的動態(tài)特性。在研究方法上，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用有限元法對動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。有限元法是一種高效、精確的數(shù)值計(jì)算方法，能夠?qū)?fù)雜的結(jié)構(gòu)離散為有限個單元，通過求解單元的力學(xué)方程，得到整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。在對動臂式塔式起重機(jī)進(jìn)行有限元分析時，學(xué)者們通常會根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作工況，選擇合適的單元類型和材料模型，建立精確的有限元模型。通過對模型進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析等，可以得到起重機(jī)的固有頻率、振型、動態(tài)響應(yīng)等重要參數(shù)，為研究起重機(jī)的動態(tài)特性提供了有力的工具。例如，崔少杰等人采用有限元方法對動臂塔式起重機(jī)在起重臂處于不同仰角和不同回轉(zhuǎn)角情況下進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了其固有頻率和振型的變化規(guī)律，通過諧響應(yīng)分析確定了影響動臂塔式起重機(jī)動態(tài)特性的關(guān)鍵固有頻率。實(shí)驗(yàn)研究也是動臂式塔式起重機(jī)動態(tài)特性研究的重要方法之一。通過實(shí)驗(yàn)可以直接獲取起重機(jī)在實(shí)際工作狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)研究主要包括現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場測試能夠真實(shí)地反映起重機(jī)在實(shí)際工作環(huán)境中的動態(tài)特性，但受到現(xiàn)場條件的限制，測試難度較大，數(shù)據(jù)獲取成本較高。實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)則可以在可控的條件下對起重機(jī)進(jìn)行測試，能夠更方便地研究各種因素對起重機(jī)動態(tài)特性的影響，但模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工作狀態(tài)可能存在一定的差異。山東建筑大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對中天6513平頭式塔機(jī)、永茂5513塔帽式塔機(jī)，分別進(jìn)行了空載、半載和滿載時的振動曲線現(xiàn)場測試，得到了不同起重量下塔機(jī)的自振周期實(shí)測值，然后利用有限元軟件對這兩臺塔機(jī)分別進(jìn)行了空載、半載和滿載時的模態(tài)分析，將分析值與實(shí)測值進(jìn)行對比，驗(yàn)證了有限元方法的可靠性和準(zhǔn)確性。盡管國內(nèi)外在動臂式塔式起重機(jī)動態(tài)特性研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有研究在考慮多因素耦合作用方面還不夠完善。動臂式塔式起重機(jī)在實(shí)際工作中，會受到多種因素的共同作用，如起升、回轉(zhuǎn)、變幅等機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，以及風(fēng)荷載、地震作用等外部干擾。這些因素之間相互耦合，對起重機(jī)的動態(tài)特性產(chǎn)生復(fù)雜的影響。然而，目前的研究大多只考慮單一因素或少數(shù)幾個因素的作用，對于多因素耦合作用下的動態(tài)特性研究還相對較少。另一方面，在研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性時，對結(jié)構(gòu)的非線性特性考慮不足。起重機(jī)結(jié)構(gòu)在受到較大的載荷作用時，會出現(xiàn)材料非線性、幾何非線性等非線性行為，這些非線性特性會顯著影響起重機(jī)的動態(tài)響應(yīng)。但現(xiàn)有的研究中，很多都將結(jié)構(gòu)視為線性系統(tǒng)進(jìn)行分析，忽略了非線性因素的影響，導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差。此外，目前的研究在動臂式塔式起重機(jī)動態(tài)特性的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警方面還存在欠缺。隨著建筑施工對起重機(jī)安全性和可靠性要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)動態(tài)特性的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過實(shí)時監(jiān)測起重機(jī)的動態(tài)參數(shù)，如振動、應(yīng)力、變形等，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并發(fā)出預(yù)警信號，可以有效避免安全事故的發(fā)生。然而，現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)和方法還存在一些局限性，無法滿足對起重機(jī)動態(tài)特性進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、實(shí)時監(jiān)測的需求。1.3研究內(nèi)容與方法本文將圍繞動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性展開全面而深入的研究，研究內(nèi)容涵蓋多個關(guān)鍵方面，旨在全面揭示其動態(tài)特性的內(nèi)在規(guī)律，為動臂式塔式起重機(jī)的安全高效運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐和切實(shí)可行的技術(shù)指導(dǎo)。在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成與動態(tài)特性研究中，本文將深入剖析動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各個組成部分，包括起重臂、塔身、回轉(zhuǎn)平臺、平衡臂等主要部件，明確各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、連接方式以及在起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)中的作用。在此基礎(chǔ)上，建立精確的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過理論分析和數(shù)值計(jì)算，深入研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，如固有頻率、振型、振動響應(yīng)等，揭示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在不同工況下的動態(tài)行為規(guī)律。影響動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的因素眾多，本文將著重研究起升、回轉(zhuǎn)、變幅等機(jī)構(gòu)運(yùn)動對動態(tài)特性的影響。分析各機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中產(chǎn)生的慣性力、沖擊力以及它們與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的耦合作用，明確這些因素如何導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動和變形。同時，研究風(fēng)荷載、地震作用等外部環(huán)境因素對動態(tài)特性的影響，考慮不同風(fēng)速、風(fēng)向以及地震波特性下，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的響應(yīng)變化，為起重機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的安全運(yùn)行提供依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)，本文將綜合運(yùn)用多種研究方法。在有限元分析方面，借助專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的精細(xì)化有限元模型。對模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲取結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率和振型，了解結(jié)構(gòu)的振動特性；進(jìn)行諧響應(yīng)分析，研究結(jié)構(gòu)在簡諧荷載作用下的響應(yīng)，確定結(jié)構(gòu)的共振頻率和響應(yīng)幅值；開展瞬態(tài)動力學(xué)分析，模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作過程中的動態(tài)響應(yīng)，如起升、制動、變幅等瞬間的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化。實(shí)驗(yàn)研究是本文的重要研究方法之一。通過現(xiàn)場測試，在實(shí)際工作的動臂式塔式起重機(jī)上布置傳感器，測量結(jié)構(gòu)在不同工況下的振動響應(yīng)、應(yīng)力分布等參數(shù)，獲取真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時，在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬實(shí)驗(yàn)平臺，對起重機(jī)的關(guān)鍵部件或簡化模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，控制實(shí)驗(yàn)條件，深入研究特定因素對動態(tài)特性的影響。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，提高研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。為了更深入地研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，本文將選取實(shí)際工程案例進(jìn)行分析。詳細(xì)收集案例中起重機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作工況、環(huán)境條件等信息，運(yùn)用前面建立的理論模型和分析方法，對案例中的起重機(jī)進(jìn)行動態(tài)特性分析。與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，同時總結(jié)實(shí)際工程中存在的問題和經(jīng)驗(yàn)，為其他工程提供參考?；趯颖凼剿狡鹬貦C(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的研究結(jié)果，本文將提出針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，優(yōu)化起重臂、塔身等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，提高結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，降低振動響應(yīng)；在材料選擇方面，選用高強(qiáng)度、輕質(zhì)的材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能；在控制策略上，研究采用先進(jìn)的控制算法，如自適應(yīng)控制、智能控制等，對起重機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，有效抑制振動和沖擊，提高起重機(jī)的穩(wěn)定性和工作效率。二、動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成2.1金屬結(jié)構(gòu)金屬結(jié)構(gòu)是動臂式塔式起重機(jī)的重要組成部分，它為起重機(jī)的各個工作機(jī)構(gòu)提供支撐和連接，承受著起重機(jī)在工作過程中產(chǎn)生的各種載荷，其性能直接影響著起重機(jī)的整體穩(wěn)定性、承載能力和工作可靠性。塔身作為起重機(jī)的垂直支撐部件，承擔(dān)著來自起重臂、平衡臂、起升載荷以及自身結(jié)構(gòu)重量等產(chǎn)生的軸向壓力、彎矩和扭矩等復(fù)雜載荷。常見的塔身結(jié)構(gòu)形式有格構(gòu)式和箱型結(jié)構(gòu)。格構(gòu)式塔身通常由角鋼、槽鋼等型鋼通過焊接或螺栓連接組成，具有結(jié)構(gòu)重量輕、制造工藝相對簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在中、小型動臂式塔式起重機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。例如，一些用于一般建筑施工的中、小型動臂式塔式起重機(jī)，其塔身采用格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，能夠滿足施工過程中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，同時便于運(yùn)輸和安裝。箱型結(jié)構(gòu)塔身則一般由鋼板焊接而成，具有較高的抗彎、抗扭剛度和整體穩(wěn)定性，適用于大型動臂式塔式起重機(jī)，尤其是在一些對起重機(jī)穩(wěn)定性要求較高的特殊施工環(huán)境中，如超高層建筑施工、大型橋梁建設(shè)等，箱型結(jié)構(gòu)塔身能夠更好地承受巨大的載荷，確保起重機(jī)的安全運(yùn)行。在材料選用上，塔身常用的材料有Q345、Q390等低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，這些材料具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠在保證塔身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低制造成本。動臂是實(shí)現(xiàn)重物變幅的關(guān)鍵部件，通過改變其仰角來調(diào)整起重機(jī)的工作幅度。動臂的結(jié)構(gòu)形式主要有桁架式和箱型梁式。桁架式動臂由桿件組成三角形或四邊形的桁架結(jié)構(gòu)，具有較好的受力性能和較高的結(jié)構(gòu)效率，能夠充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，在大起重量、長幅度的動臂式塔式起重機(jī)中應(yīng)用較多。例如，在一些大型港口建設(shè)項(xiàng)目中，使用的動臂式塔式起重機(jī)的動臂采用桁架式結(jié)構(gòu)，能夠滿足起吊大型港口設(shè)備和貨物的需求。箱型梁式動臂則具有外形美觀、風(fēng)阻小、內(nèi)部空間可用于布置設(shè)備和管線等優(yōu)點(diǎn)，常用于對外觀和空間布置有特殊要求的起重機(jī)中，如一些城市地標(biāo)性建筑施工中使用的動臂式塔式起重機(jī)，其動臂采用箱型梁式結(jié)構(gòu)，不僅能夠滿足施工要求，還能與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。動臂材料多選用Q345B、Q390B等鋼材，對于一些對強(qiáng)度和重量要求更為嚴(yán)格的場合，也會采用高強(qiáng)度合金鋼或鋁合金材料，以提高動臂的性能。底座是起重機(jī)與基礎(chǔ)連接的部件，它將起重機(jī)的全部載荷傳遞到基礎(chǔ)上，并保證起重機(jī)在工作和非工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。底座的結(jié)構(gòu)形式主要有十字型、X型和井字型等。十字型底座結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，適用于小型動臂式塔式起重機(jī)；X型底座具有較好的穩(wěn)定性和承載能力，常用于中型動臂式塔式起重機(jī)；井字型底座則具有更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，適用于大型動臂式塔式起重機(jī)。底座通常采用Q235、Q345等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制造，以確保其能夠承受起重機(jī)的巨大載荷。附著桿是將塔式起重機(jī)塔身與建筑物連接的部件，主要用于增加塔身的穩(wěn)定性，特別是在高層建筑施工中，隨著塔身高度的增加，附著桿的作用愈發(fā)重要。附著桿一般采用圓鋼、角鋼或鋼管制成，通過銷軸或焊接與塔身和建筑物連接。在材料選擇上，需要根據(jù)起重機(jī)的型號、高度以及建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素綜合考慮，確保附著桿具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠有效地傳遞載荷，保證起重機(jī)的安全運(yùn)行。這些金屬結(jié)構(gòu)部件相互配合，共同構(gòu)成了動臂式塔式起重機(jī)的承載骨架。它們的結(jié)構(gòu)形式和材料選用直接影響著起重機(jī)的整體性能。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇能夠提高起重機(jī)的承載能力，使其能夠安全地吊運(yùn)各種重物；增強(qiáng)穩(wěn)定性，確保起重機(jī)在復(fù)雜的工作環(huán)境和工況下保持穩(wěn)定，避免發(fā)生傾翻等事故；降低自重，減少材料消耗和能源消耗，提高起重機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率。若金屬結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)不合理或材料選用不當(dāng)，可能導(dǎo)致起重機(jī)在工作過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、疲勞破壞等問題，嚴(yán)重影響起重機(jī)的安全運(yùn)行和使用壽命。2.2工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)是動臂式塔式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動和完成吊運(yùn)任務(wù)的核心部分，主要包括起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)相互協(xié)作，共同完成重物的垂直提升、水平移動、回轉(zhuǎn)以及起重機(jī)自身的位置調(diào)整等作業(yè)。各工作機(jī)構(gòu)的性能和工作狀態(tài)直接影響著起重機(jī)的工作效率、吊運(yùn)精度以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性。起升機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)重物垂直升降的關(guān)鍵裝置，在動臂式塔式起重機(jī)的作業(yè)中承擔(dān)著核心任務(wù)。其工作原理基于電機(jī)驅(qū)動，通過聯(lián)軸器將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給減速器，減速器對電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行減速增扭，以滿足起吊重物的力矩需求。經(jīng)過減速后的動力通過卷筒，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為鋼絲繩的直線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)吊鉤和重物的升降。在起升過程中，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制著吊鉤的上升和下降，制動器則用于在起升停止時，可靠地制動卷筒，防止重物下滑，確保起升作業(yè)的安全。起升機(jī)構(gòu)的動力傳遞方式通常采用閉式傳動，這種傳動方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。在閉式傳動系統(tǒng)中，各傳動部件被封閉在一個相對獨(dú)立的空間內(nèi)，能夠有效地減少外界雜質(zhì)的侵入，提高傳動系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。電機(jī)輸出的扭矩通過聯(lián)軸器傳遞給減速器的輸入軸，減速器內(nèi)部的齒輪副按照一定的傳動比進(jìn)行減速，將高速低扭矩的輸入轉(zhuǎn)化為低速高扭矩的輸出。減速器的輸出軸與卷筒相連，帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的收放。為了確保起升機(jī)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行，通常會配備多重安全保護(hù)裝置，如起重量限制器、高度限位器等。起重量限制器用于監(jiān)測起吊重物的重量，當(dāng)重量超過額定值時，自動切斷起升電路，防止過載事故的發(fā)生；高度限位器則用于限制吊鉤的上升高度，避免吊鉤沖頂，損壞設(shè)備。變幅機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)改變起重機(jī)的工作幅度，通過改變起重臂的仰角來實(shí)現(xiàn)。常見的變幅機(jī)構(gòu)有鋼絲繩變幅和液壓缸變幅兩種形式。鋼絲繩變幅機(jī)構(gòu)利用鋼絲繩的收放來拉動起重臂繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動，從而改變起重臂的仰角。在這種機(jī)構(gòu)中，電機(jī)驅(qū)動卷筒轉(zhuǎn)動，通過鋼絲繩滑輪組系統(tǒng)，將卷筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為起重臂的俯仰運(yùn)動。鋼絲繩變幅機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但由于鋼絲繩在工作過程中會受到較大的拉力和磨損，需要定期檢查和更換，以確保其可靠性。液壓缸變幅機(jī)構(gòu)則是利用液壓缸的伸縮直接推動起重臂繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。液壓缸的活塞桿與起重臂通過銷軸連接，當(dāng)液壓缸內(nèi)的油液壓力變化時，活塞桿伸出或縮回，帶動起重臂實(shí)現(xiàn)變幅。液壓缸變幅機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)速度快、變幅平穩(wěn)、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型動臂式塔式起重機(jī)。變幅機(jī)構(gòu)的控制方式通常采用液壓控制或電氣控制。液壓控制通過操縱液壓閥，控制液壓油的流向和壓力，實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮；電氣控制則通過控制器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的收放。為了保證變幅過程的安全，變幅機(jī)構(gòu)也配備了幅度限位器等安全裝置，防止起重臂過度變幅，造成危險?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使起重機(jī)的回轉(zhuǎn)部分相對于非回轉(zhuǎn)部分實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，以擴(kuò)大起重機(jī)的工作范圍?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置和回轉(zhuǎn)制動裝置等組成?；剞D(zhuǎn)支承是連接起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分和非回轉(zhuǎn)部分的關(guān)鍵部件，它不僅承受著回轉(zhuǎn)部分的重量和載荷，還傳遞著回轉(zhuǎn)運(yùn)動?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動裝置通常采用電動機(jī)或液壓馬達(dá)作為動力源，通過減速器將動力傳遞給回轉(zhuǎn)小齒輪，回轉(zhuǎn)小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的齒圈嚙合，帶動回轉(zhuǎn)部分繞回轉(zhuǎn)中心線作圓周運(yùn)動?；剞D(zhuǎn)制動裝置用于在回轉(zhuǎn)停止時，迅速制動回轉(zhuǎn)部分，防止其因慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力傳遞方式根據(jù)動力源的不同而有所差異。電動機(jī)驅(qū)動的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過聯(lián)軸器將電動機(jī)的動力傳遞給減速器，減速器減速后驅(qū)動回轉(zhuǎn)小齒輪；液壓馬達(dá)驅(qū)動的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則是通過液壓管路將液壓泵輸出的壓力油輸送到液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)輸出的扭矩直接或通過減速器傳遞給回轉(zhuǎn)小齒輪?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制方式一般采用電氣控制，通過控制器控制電動機(jī)或液壓馬達(dá)的啟停、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的精確控制。在回轉(zhuǎn)過程中，為了防止起重機(jī)發(fā)生傾翻等事故，通常會設(shè)置回轉(zhuǎn)限位器，限制回轉(zhuǎn)角度。行走機(jī)構(gòu)為起重機(jī)提供水平移動能力，使其能夠在不同的工作位置之間移動，以滿足施工場地的需求。行走機(jī)構(gòu)主要由行走支承裝置、驅(qū)動裝置和制動裝置等組成。行走支承裝置通常采用車輪或履帶，車輪式行走機(jī)構(gòu)適用于道路條件較好的施工場地，具有移動速度快、轉(zhuǎn)向靈活的優(yōu)點(diǎn)；履帶式行走機(jī)構(gòu)則適用于地形復(fù)雜、松軟的施工場地，具有接地比壓小、通過性好的特點(diǎn)。驅(qū)動裝置一般采用電動機(jī)或液壓馬達(dá)，通過減速器將動力傳遞給行走輪或履帶驅(qū)動輪，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的行走。制動裝置用于在行走停止時，可靠地制動行走機(jī)構(gòu)，防止起重機(jī)滑動。行走機(jī)構(gòu)的動力傳遞方式與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)類似，電動機(jī)驅(qū)動時通過聯(lián)軸器和減速器傳遞動力，液壓馬達(dá)驅(qū)動時通過液壓管路傳遞壓力油。行走機(jī)構(gòu)的控制方式一般采用電氣控制或液壓控制，通過控制器控制電動機(jī)或液壓馬達(dá)的啟停、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)行走速度和方向的控制。在行走過程中，為了保證起重機(jī)的安全，通常會設(shè)置行程限位器等安全裝置，防止起重機(jī)超出規(guī)定的行走范圍。這些工作機(jī)構(gòu)在起重機(jī)工作過程中緊密配合，相互關(guān)聯(lián)。起升機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)重物的垂直升降，變幅機(jī)構(gòu)改變工作幅度，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動，行走機(jī)構(gòu)調(diào)整起重機(jī)的位置。它們的協(xié)同工作使得起重機(jī)能夠在復(fù)雜的施工環(huán)境中高效地完成吊運(yùn)任務(wù)。然而，各工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動也會對起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性產(chǎn)生顯著影響。起升機(jī)構(gòu)在起吊和制動過程中，會產(chǎn)生較大的慣性力和沖擊力，這些力通過鋼絲繩和吊鉤傳遞到起重臂和塔身，引起結(jié)構(gòu)的振動和變形；變幅機(jī)構(gòu)在改變起重臂仰角時，會使起重機(jī)的重心位置發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)改變，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在回轉(zhuǎn)過程中，由于回轉(zhuǎn)部分的慣性和離心力作用，會使起重機(jī)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成威脅；行走機(jī)構(gòu)在行走過程中，車輪與地面的接觸會產(chǎn)生沖擊和振動，這些振動通過行走支承裝置傳遞到起重機(jī)結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。2.3電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)是動臂式塔式起重機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵組成部分，它如同人體的神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為起重機(jī)的各個工作機(jī)構(gòu)提供動力，并對其運(yùn)行進(jìn)行精確控制和監(jiān)測，確保起重機(jī)能夠安全、高效地完成吊運(yùn)任務(wù)。電氣系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、控制器、配電柜、連接線路、信號及照明裝置等部件。電動機(jī)是電氣系統(tǒng)的動力源，為起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走等工作機(jī)構(gòu)提供動力。在起升機(jī)構(gòu)中，電動機(jī)通過聯(lián)軸器與減速器相連，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動卷筒轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)重物的升降。根據(jù)起重機(jī)的工作要求和性能特點(diǎn)，通常選用具有較高啟動轉(zhuǎn)矩和過載能力的電動機(jī)，如YZR系列繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。這種電動機(jī)能夠在啟動時提供較大的轉(zhuǎn)矩，克服重物的靜止慣性，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動；在運(yùn)行過程中，能夠承受較大的過載電流，滿足起重機(jī)在不同工況下的工作需求。在一些對調(diào)速性能要求較高的場合，還會采用變頻調(diào)速電動機(jī)，通過改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速，使起升機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)實(shí)際需要精確控制起升速度，提高吊運(yùn)作業(yè)的精度和效率?？刂破魇请姎庀到y(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)對電動機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)各工作機(jī)構(gòu)的各種動作。常見的控制器有PLC（可編程邏輯控制器）和變頻器等。PLC具有可靠性高、編程靈活、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它通過預(yù)先編寫的程序，對輸入的信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理，輸出控制信號，控制接觸器、繼電器等執(zhí)行元件的動作，從而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等控制。在動臂式塔式起重機(jī)中，PLC可以根據(jù)操作人員的指令，以及各種傳感器反饋的信號，如起重量、幅度、高度等，精確控制各工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，確保起重機(jī)的安全運(yùn)行。變頻器則主要用于實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變頻調(diào)速，它通過改變電源的頻率和電壓，來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，能夠使起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)在不同的工況下都能以最佳的速度運(yùn)行，提高工作效率，降低能耗。在變幅機(jī)構(gòu)中，通過變頻器控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)起重臂的平穩(wěn)變幅，減少沖擊和振動。配電柜是電氣系統(tǒng)的重要組成部分，用于對電能進(jìn)行分配、控制、保護(hù)和監(jiān)測。它通常包括斷路器、接觸器、繼電器、熔斷器、電壓表、電流表等元件。斷路器用于在電路發(fā)生過載、短路等故障時，自動切斷電路，保護(hù)設(shè)備和人員安全；接觸器用于控制電動機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)；繼電器用于實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換、放大和控制；熔斷器用于在電路發(fā)生短路時，迅速切斷電流，保護(hù)電氣設(shè)備；電壓表和電流表用于監(jiān)測電路的電壓和電流，以便操作人員及時了解電氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)。配電柜的設(shè)計(jì)和安裝需要遵循相關(guān)的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保其具有良好的防護(hù)性能和散熱性能，能夠在惡劣的工作環(huán)境下可靠運(yùn)行。連接線路負(fù)責(zé)將電氣系統(tǒng)的各個部件連接起來，形成完整的電路，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和信號的傳遞。連接線路通常采用電纜和電線，其規(guī)格和型號根據(jù)電氣系統(tǒng)的功率、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行選擇。在選擇連接線路時，需要考慮其載流量、絕緣性能、機(jī)械強(qiáng)度等因素，確保其能夠滿足電氣系統(tǒng)的工作要求。為了保證連接線路的可靠性和安全性，需要對其進(jìn)行合理的布線和固定，避免線路受到機(jī)械損傷、腐蝕和高溫等影響。在起重機(jī)的運(yùn)行過程中，還需要定期對連接線路進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)和處理線路故障，確保電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。信號及照明裝置用于向操作人員和周圍人員傳遞起重機(jī)的工作狀態(tài)信息，以及提供照明，保障起重機(jī)在夜間或光線不足的環(huán)境下安全運(yùn)行。信號裝置包括指示燈、報警器等，指示燈用于顯示起重機(jī)各工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，如起升機(jī)構(gòu)的上升、下降，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等；報警器用于在起重機(jī)發(fā)生故障、超載、超速等異常情況時，發(fā)出聲光報警信號，提醒操作人員及時采取措施。照明裝置包括司機(jī)室照明、工作區(qū)域照明等，司機(jī)室照明為操作人員提供良好的工作環(huán)境，確保其能夠清晰地觀察各種儀表和操作按鈕；工作區(qū)域照明則為起重機(jī)的吊運(yùn)作業(yè)提供充足的光線，避免因光線不足而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。電氣系統(tǒng)對起重機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和動態(tài)特性有著重要影響。電氣系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到起重機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。如果電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如電動機(jī)故障、控制器故障、連接線路短路等，可能導(dǎo)致起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)無法正常運(yùn)行，甚至引發(fā)安全事故。電動機(jī)的故障可能導(dǎo)致起升機(jī)構(gòu)無法提升重物，或者在提升過程中突然停止，造成重物墜落；控制器的故障可能導(dǎo)致各工作機(jī)構(gòu)的動作失控，影響起重機(jī)的操作精度和安全性。電氣系統(tǒng)的性能也會影響起重機(jī)的動態(tài)特性。電動機(jī)的啟動和制動過程會產(chǎn)生沖擊電流和轉(zhuǎn)矩，這些沖擊會通過傳動系統(tǒng)傳遞到起重機(jī)的結(jié)構(gòu)上，引起結(jié)構(gòu)的振動和變形。如果電氣系統(tǒng)的控制性能不佳，如電動機(jī)的啟動和制動過于急促，會導(dǎo)致沖擊過大，加劇結(jié)構(gòu)的振動，影響起重機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定性。此外，電氣系統(tǒng)的調(diào)速性能也會影響起重機(jī)的動態(tài)特性。在起重機(jī)的吊運(yùn)過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況對工作機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果電氣系統(tǒng)的調(diào)速性能不好，無法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速，會導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu)的速度波動較大，影響起重機(jī)的工作效率和吊運(yùn)精度。三、動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響因素3.1外部激勵在動臂式塔式起重機(jī)的實(shí)際工作過程中，會不可避免地受到多種外部激勵的作用，這些外部激勵對起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性有著顯著的影響，其中風(fēng)載和地震作用是較為常見且影響較大的因素。風(fēng)荷載是動臂式塔式起重機(jī)在工作時面臨的主要外部荷載之一，其大小和方向具有不確定性，是一種隨機(jī)荷載。風(fēng)荷載的產(chǎn)生源于大氣的流動，當(dāng)風(fēng)作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上時，會產(chǎn)生壓力差，從而形成風(fēng)荷載。風(fēng)荷載的大小受到多種因素的影響，包括基本風(fēng)壓、地形地貌、建筑物周圍環(huán)境以及起重機(jī)的高度和體型等。在平坦開闊的地形上，風(fēng)的流動較為順暢，基本風(fēng)壓相對較??；而在山區(qū)或城市中，由于地形的起伏和建筑物的阻擋，風(fēng)的流動會受到干擾，導(dǎo)致基本風(fēng)壓增大。起重機(jī)的高度越高，所承受的風(fēng)荷載也越大，因?yàn)殡S著高度的增加，風(fēng)速通常會增大，風(fēng)的動力作用也會增強(qiáng)。此外，起重機(jī)的體型和結(jié)構(gòu)形式也會影響風(fēng)荷載的分布，起重臂較長、塔身較高的起重機(jī)，其迎風(fēng)面積較大，所承受的風(fēng)荷載也相應(yīng)較大。風(fēng)荷載對起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動和動態(tài)特性有著多方面的影響。在風(fēng)荷載的作用下，起重機(jī)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生順風(fēng)向和橫風(fēng)向的振動。順風(fēng)向振動是指起重機(jī)結(jié)構(gòu)在風(fēng)的來流方向上的振動，主要由平均風(fēng)產(chǎn)生的靜壓力和脈動風(fēng)產(chǎn)生的動壓力引起。平均風(fēng)產(chǎn)生的靜壓力使起重機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的位移和應(yīng)力，而脈動風(fēng)產(chǎn)生的動壓力則使起重機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)的振動響應(yīng)，這種振動響應(yīng)會隨著脈動風(fēng)的頻率和幅值的變化而變化。當(dāng)脈動風(fēng)的頻率與起重機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)急劇增大，可能對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。橫風(fēng)向振動是指起重機(jī)結(jié)構(gòu)在垂直于風(fēng)的來流方向上的振動，主要由結(jié)構(gòu)背后的漩渦脫落和尾流激勵引起。漩渦脫落會在結(jié)構(gòu)兩側(cè)交替產(chǎn)生，形成周期性的作用力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫風(fēng)向的振動。當(dāng)漩渦脫落的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，也會引發(fā)共振，使結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向振動加劇。風(fēng)荷載還會導(dǎo)致起重機(jī)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動，當(dāng)風(fēng)荷載的作用點(diǎn)與結(jié)構(gòu)的質(zhì)心不重合時，會產(chǎn)生扭矩，使結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)振動會進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。地震作用是一種具有突發(fā)性和強(qiáng)破壞性的外部激勵，雖然發(fā)生的概率相對較低，但一旦發(fā)生，往往會對動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)造成巨大的威脅。地震作用是由地殼的劇烈運(yùn)動產(chǎn)生的地震波引起的，地震波分為縱波、橫波和面波?？v波是一種壓縮波，傳播速度最快，它使地面產(chǎn)生上下振動；橫波是一種剪切波，傳播速度次之，它使地面產(chǎn)生水平方向的振動；面波是縱波和橫波在地面相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波，傳播速度最慢，但能量最強(qiáng)，它使地面產(chǎn)生復(fù)雜的振動。地震作用的大小和特性與地震的震級、震源深度、地震波的傳播路徑以及場地條件等因素密切相關(guān)。震級越高，地震釋放的能量越大，地震作用也越強(qiáng)；震源深度越淺，地震波到達(dá)地面時的能量衰減越小，地震作用也越明顯；不同的地震波傳播路徑和場地條件會導(dǎo)致地震波的頻譜特性發(fā)生變化，從而影響地震作用對起重機(jī)結(jié)構(gòu)的影響。在地震作用下，動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會受到慣性力的作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動和變形。慣性力的大小與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和加速度成正比，地震時地面的加速度會迅速變化，使結(jié)構(gòu)受到的慣性力也隨之變化。起重機(jī)的塔身、起重臂等部件在慣性力的作用下，會產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，這些變形可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞。如果塔身的某一部位在地震作用下承受的應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度，就會發(fā)生塑性變形，降低結(jié)構(gòu)的承載能力。地震作用還可能使起重機(jī)的連接部位松動或損壞，影響結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。例如，塔身與基礎(chǔ)之間的連接螺栓在地震力的反復(fù)作用下，可能會發(fā)生松動或斷裂，導(dǎo)致塔身失去穩(wěn)定，發(fā)生倒塌事故。此外，地震作用與風(fēng)荷載等其他外部激勵可能會同時作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上，這種多荷載耦合的情況會使結(jié)構(gòu)的受力更加復(fù)雜，進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險。3.2內(nèi)部激勵內(nèi)部激勵是影響動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的重要因素，主要來源于電機(jī)驅(qū)動力和吊載等。這些內(nèi)部激勵在起重機(jī)的工作過程中產(chǎn)生，并隨著工作狀態(tài)的變化而變化，對起重機(jī)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性有著復(fù)雜的影響機(jī)制。電機(jī)驅(qū)動力是起重機(jī)實(shí)現(xiàn)各種動作的動力來源，它的產(chǎn)生與起重機(jī)的電氣系統(tǒng)和工作機(jī)構(gòu)密切相關(guān)。在起升機(jī)構(gòu)中，電機(jī)通過驅(qū)動卷筒轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)吊鉤和重物的升降；在變幅機(jī)構(gòu)中，電機(jī)驅(qū)動鋼絲繩或液壓缸，改變起重臂的仰角；在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)帶動回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動力的大小和變化規(guī)律取決于起重機(jī)的工作要求和操作方式。在起吊重物時，電機(jī)需要提供足夠的扭矩來克服重物的重力和慣性力，使重物能夠平穩(wěn)地上升或下降。電機(jī)的輸出扭矩會隨著重物的重量、起升速度和加速度的變化而變化。當(dāng)起升速度加快或重物重量增加時，電機(jī)需要輸出更大的扭矩，以保證起吊過程的順利進(jìn)行。電機(jī)的啟動和制動過程也會產(chǎn)生沖擊電流和扭矩，這些沖擊會通過傳動系統(tǒng)傳遞到起重機(jī)的結(jié)構(gòu)上，引起結(jié)構(gòu)的振動和變形。吊載是起重機(jī)工作的主要對象，它的重量、位置和運(yùn)動狀態(tài)的變化都會對起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生激勵作用。吊載的重量直接影響著起重機(jī)結(jié)構(gòu)所承受的載荷大小，當(dāng)?shù)踺d重量超過起重機(jī)的額定起重量時，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形過大，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞。吊載的位置變化也會對起重機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)?shù)踺d位于起重臂的端部時，會使起重臂承受較大的彎矩和扭矩，增加結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性；當(dāng)?shù)踺d在起升或下降過程中發(fā)生晃動時，會產(chǎn)生額外的慣性力和沖擊力，這些力會通過吊鉤和鋼絲繩傳遞到起重臂和塔身，引起結(jié)構(gòu)的振動。此外，吊載的起升、下降和水平移動等運(yùn)動狀態(tài)的變化，也會對起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生動態(tài)激勵。在起升過程中，吊載的加速度會使結(jié)構(gòu)承受慣性力的作用；在下降過程中，吊載的制動會產(chǎn)生沖擊力，這些力都會對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性產(chǎn)生影響。內(nèi)部激勵對起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響機(jī)制較為復(fù)雜。電機(jī)驅(qū)動力和吊載產(chǎn)生的慣性力、沖擊力等會與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率相互作用，當(dāng)激勵頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)急劇增大，嚴(yán)重影響起重機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。內(nèi)部激勵還會引起結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和疲勞損傷。在結(jié)構(gòu)的連接部位、焊縫處以及承受較大載荷的部位，由于內(nèi)部激勵的作用，會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，長期的應(yīng)力集中會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，降低結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。內(nèi)部激勵還會影響起重機(jī)的操作性能和工作效率。過大的振動和沖擊會使操作人員感到不適，影響操作的準(zhǔn)確性和舒適性，降低工作效率。以起升機(jī)構(gòu)為例，在起吊重物時，電機(jī)驅(qū)動力的突然變化會導(dǎo)致吊鉤和重物產(chǎn)生較大的加速度，從而使結(jié)構(gòu)承受較大的慣性力。如果起升速度過快或制動過猛，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，使結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)顯著增大。這種振動不僅會影響起升的平穩(wěn)性，還會對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)驅(qū)動力的不均勻性會導(dǎo)致回轉(zhuǎn)過程中的振動和噪聲，影響起重機(jī)的工作環(huán)境和操作人員的身心健康。吊載的晃動也會對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，增加回轉(zhuǎn)過程中的控制難度。3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)動臂式塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，它們對起重機(jī)的固有頻率、振型和動態(tài)響應(yīng)有著重要的影響，通過理論分析和數(shù)值模擬來揭示這些內(nèi)在聯(lián)系，對于起重機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和安全運(yùn)行具有重要意義。塔身高度是影響動臂式塔式起重機(jī)固有頻率和振型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。從理論分析的角度來看，塔身可近似看作是一個懸臂梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的基本原理，懸臂梁的固有頻率與梁的長度、剛度和質(zhì)量有關(guān)。對于動臂式塔式起重機(jī)，隨著塔身高度的增加，其整體剛度會相對降低，質(zhì)量分布也會發(fā)生變化，這將導(dǎo)致固有頻率下降。具體而言，固有頻率與塔身高度的平方成反比關(guān)系，即塔身高度增加，固有頻率會顯著減小。在振型方面，塔身高度的變化會改變結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)。較低的塔身可能主要表現(xiàn)為一階振型，即整體的彎曲振動；而隨著塔身高度的增加，高階振型的影響會逐漸顯現(xiàn)，可能會出現(xiàn)二階、三階振型等，表現(xiàn)為不同部位的復(fù)雜振動組合。通過數(shù)值模擬可以更直觀地驗(yàn)證這些關(guān)系。利用有限元分析軟件，建立不同塔身高度的動臂式塔式起重機(jī)模型，對其進(jìn)行模態(tài)分析。當(dāng)塔身高度從初始值逐漸增加時，模擬結(jié)果顯示固有頻率逐漸降低，且振型也發(fā)生了明顯的變化。在實(shí)際工程中，某超高層建筑施工中使用的動臂式塔式起重機(jī)，隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，塔身不斷加高，在塔身高度較低時，起重機(jī)的振動主要以一階彎曲振型為主，振動較為規(guī)律；當(dāng)塔身高度增加到一定程度后，出現(xiàn)了高階振型的耦合，振動變得更加復(fù)雜，這與理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果相符。如果塔身高度設(shè)計(jì)不合理，過高的塔身可能導(dǎo)致固有頻率過低，在受到外部激勵時，更容易發(fā)生共振現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)急劇增大，從而威脅起重機(jī)的安全運(yùn)行。臂長同樣對動臂式塔式起重機(jī)的動態(tài)特性有著顯著的影響。從理論上講，臂長的增加會使起重機(jī)的工作范圍擴(kuò)大，但同時也會增加起重臂的自重和慣性力，改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和剛度分布。起重臂可看作是一個一端固定的梁結(jié)構(gòu)，臂長的變化會影響其抗彎剛度和轉(zhuǎn)動慣量。隨著臂長的增加，起重臂的抗彎剛度相對降低，轉(zhuǎn)動慣量增大，這會導(dǎo)致起重機(jī)的固有頻率降低，尤其是與起重臂相關(guān)的振型的固有頻率變化更為明顯。在振型方面，臂長的改變會使起重臂的振動形態(tài)發(fā)生變化。較短的臂長可能使起重臂主要表現(xiàn)為局部的彎曲振動；而臂長增加后，可能會出現(xiàn)起重臂的整體彎曲與扭轉(zhuǎn)的耦合振型。通過數(shù)值模擬分析不同臂長下動臂式塔式起重機(jī)的動態(tài)特性，結(jié)果表明，隨著臂長的增加，固有頻率逐漸降低，且與起重臂相關(guān)的振型的固有頻率下降幅度更大。在實(shí)際工程中，某大型橋梁建設(shè)項(xiàng)目中使用的動臂式塔式起重機(jī)，在起重臂較短時，起重機(jī)的振動相對較小，工作較為平穩(wěn)；當(dāng)為了滿足橋梁施工的需要，增加起重臂長度后，起重機(jī)在工作過程中的振動明顯增大，尤其是在起重臂端部，振動響應(yīng)更為突出，這是因?yàn)楸坶L增加導(dǎo)致固有頻率降低，更容易受到外部激勵的影響。臂長的變化還會影響起重機(jī)的動態(tài)響應(yīng)。在起吊重物時，較長的臂長會使起重臂承受更大的彎矩和扭矩，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形增大，從而影響起重機(jī)的工作效率和安全性。結(jié)構(gòu)形式是決定動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)性能的重要因素，不同的結(jié)構(gòu)形式具有不同的力學(xué)特性和動態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)。以塔身結(jié)構(gòu)為例，格構(gòu)式結(jié)構(gòu)和箱型結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上存在顯著差異。格構(gòu)式結(jié)構(gòu)由桿件組成，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)效率高的特點(diǎn)，但由于其桿件之間存在節(jié)點(diǎn)，在承受復(fù)雜載荷時，節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。箱型結(jié)構(gòu)則具有較高的抗彎、抗扭剛度，整體性好，能夠更好地承受復(fù)雜的載荷，但相對質(zhì)量較大，制造成本較高。在動臂式塔式起重機(jī)中，采用格構(gòu)式塔身結(jié)構(gòu)的起重機(jī)，其固有頻率相對較低，在受到風(fēng)荷載等外部激勵時，更容易發(fā)生振動；而采用箱型塔身結(jié)構(gòu)的起重機(jī)，由于其較高的剛度，固有頻率相對較高，振動響應(yīng)相對較小。起重臂的結(jié)構(gòu)形式也會對起重機(jī)的動態(tài)特性產(chǎn)生影響。桁架式起重臂和箱型梁式起重臂在力學(xué)性能和動態(tài)響應(yīng)方面有所不同。桁架式起重臂由桿件組成三角形或四邊形的桁架結(jié)構(gòu)，具有較好的受力性能和較高的結(jié)構(gòu)效率，能夠充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，但由于其桿件較多，在風(fēng)荷載作用下，風(fēng)阻較大，容易產(chǎn)生風(fēng)振。箱型梁式起重臂則具有外形美觀、風(fēng)阻小、內(nèi)部空間可用于布置設(shè)備和管線等優(yōu)點(diǎn)，但在相同材料和尺寸條件下，其抗彎剛度相對桁架式起重臂較低。采用桁架式起重臂的動臂式塔式起重機(jī)，在大風(fēng)天氣下，風(fēng)振現(xiàn)象較為明顯；而采用箱型梁式起重臂的起重機(jī)，雖然風(fēng)振相對較小，但在承受較大的起吊載荷時，其變形可能相對較大。材料特性是影響動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的重要因素之一，不同的材料具有不同的力學(xué)性能，如彈性模量、密度、屈服強(qiáng)度等，這些性能參數(shù)直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和承載能力，進(jìn)而影響起重機(jī)的動態(tài)特性。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，對于動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)來說，材料的彈性模量越大，結(jié)構(gòu)的剛度就越高。在相同的載荷作用下，高彈性模量的材料能夠使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的變形，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)起重機(jī)受到風(fēng)荷載或起吊重物產(chǎn)生的載荷作用時，采用高彈性模量材料制造的起重臂和塔身，能夠更好地保持其形狀和位置，減少振動和變形。彈性模量還會影響結(jié)構(gòu)的固有頻率，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，固有頻率與結(jié)構(gòu)的剛度成正比，與質(zhì)量成反比。因此，提高材料的彈性模量可以增加結(jié)構(gòu)的剛度，從而提高固有頻率，使結(jié)構(gòu)在受到外部激勵時，更不容易發(fā)生共振。材料的密度也對起重機(jī)的動態(tài)特性有著重要影響。密度直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，材料密度越大，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量就越大。質(zhì)量的增加會使結(jié)構(gòu)的慣性增大，在受到外力作用時，結(jié)構(gòu)的加速度和速度變化相對較小，但同時也會增加結(jié)構(gòu)的振動能量，使振動響應(yīng)的幅值增大。對于動臂式塔式起重機(jī)來說，如果采用密度較大的材料，雖然可以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但也可能會導(dǎo)致起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)需要提供更大的動力來克服結(jié)構(gòu)的重力，增加能源消耗。此外，較大的質(zhì)量還可能使結(jié)構(gòu)的固有頻率降低，增加共振的風(fēng)險。因此，在選擇材料時，需要綜合考慮材料的密度和其他性能參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化起重機(jī)動態(tài)特性的目的。屈服強(qiáng)度是材料開始發(fā)生明顯塑性變形時的應(yīng)力值，它反映了材料的承載能力。在動臂式塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)中，需要確保結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度能夠滿足起重機(jī)在各種工況下的承載要求。如果材料的屈服強(qiáng)度不足，在起重機(jī)工作過程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時，結(jié)構(gòu)就會發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生改變，從而影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和動態(tài)特性。塑性變形可能會使結(jié)構(gòu)的剛度降低，固有頻率發(fā)生變化，振動響應(yīng)增大，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。因此，選擇具有合適屈服強(qiáng)度的材料對于保證動臂式塔式起重機(jī)的安全運(yùn)行和良好的動態(tài)性能至關(guān)重要。在實(shí)際工程中，通常會根據(jù)起重機(jī)的設(shè)計(jì)要求和工作環(huán)境，選擇屈服強(qiáng)度較高的鋼材作為結(jié)構(gòu)材料，如Q345、Q390等低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，以確保結(jié)構(gòu)在各種工況下都能保持良好的性能。四、動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的研究方法4.1有限元分析方法有限元分析方法作為一種強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算技術(shù)，在工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性方面，發(fā)揮著不可或缺的作用。其基本原理是將一個連續(xù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)離散為有限個單元，這些單元通過節(jié)點(diǎn)相互連接，從而將復(fù)雜的連續(xù)體轉(zhuǎn)化為離散的單元集合體。對于每個單元，依據(jù)一定的插值函數(shù)，將單元內(nèi)的物理量（如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等）用節(jié)點(diǎn)處的物理量來表示。然后，基于力學(xué)原理，如虛功原理、最小勢能原理等，建立單元的力學(xué)方程，得到單元的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣等。將所有單元的力學(xué)方程進(jìn)行組裝，形成整個結(jié)構(gòu)的動力學(xué)方程，通過求解這些方程，便可以得到結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下的響應(yīng)，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變以及振動特性等。運(yùn)用有限元分析方法研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性時，建立精確的有限元模型是關(guān)鍵步驟。在建立模型過程中，首先要對動臂式塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化。由于實(shí)際的動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含眾多細(xì)節(jié)特征，若完全按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，不僅會增加計(jì)算量，還可能導(dǎo)致計(jì)算困難甚至無法求解。因此，需要根據(jù)研究目的和精度要求，對一些次要結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)進(jìn)行簡化處理。例如，對于一些小的連接部件、孔洞等，可以忽略不計(jì)；對于一些結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜但受力相對簡單的部位，可以采用等效的簡化模型來代替。在簡化過程中，要確保簡化后的模型能夠準(zhǔn)確反映原結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特性，避免因過度簡化而導(dǎo)致模型失真。單元類型的選擇對有限元模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率有著重要影響。不同的單元類型具有不同的特點(diǎn)和適用范圍，需要根據(jù)動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)各部件的幾何形狀、受力狀態(tài)等因素來選擇合適的單元類型。對于起重臂、塔身等細(xì)長桿件結(jié)構(gòu)，通常選用梁單元進(jìn)行模擬。梁單元能夠較好地描述桿件的彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)行為，且計(jì)算效率較高。在ANSYS軟件中，BEAM188單元是常用的梁單元，它具有較高的精度和良好的計(jì)算性能，能夠滿足對起重臂、塔身等部件的模擬需求。對于一些板殼結(jié)構(gòu)，如回轉(zhuǎn)平臺、平衡臂的某些部位等，可以選用殼單元進(jìn)行模擬。殼單元能夠考慮板殼的面內(nèi)和面外受力情況，準(zhǔn)確地描述板殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。在ABAQUS軟件中，S4R單元是一種常用的殼單元，它適用于分析各種復(fù)雜的板殼結(jié)構(gòu)，具有較好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性。對于一些實(shí)體結(jié)構(gòu)，如底座等，可采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。實(shí)體單元能夠全面地考慮結(jié)構(gòu)的三維受力情況，提供較為精確的計(jì)算結(jié)果。在ANSYS軟件中，SOLID185單元是常用的實(shí)體單元，它可以用于模擬各種形狀的實(shí)體結(jié)構(gòu)，具有較高的計(jì)算精度和可靠性。材料參數(shù)的設(shè)置是有限元模型建立的重要環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性直接影響到計(jì)算結(jié)果的可靠性。動臂式塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)材料通常為鋼材，如Q345、Q390等低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。在設(shè)置材料參數(shù)時，需要準(zhǔn)確輸入材料的彈性模量、泊松比、密度等基本參數(shù)。彈性模量反映了材料抵抗彈性變形的能力，泊松比描述了材料在橫向變形與縱向變形之間的關(guān)系，密度則與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布密切相關(guān)。這些參數(shù)的取值應(yīng)根據(jù)材料的實(shí)際性能和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。還需要考慮材料的非線性特性，如材料的塑性、損傷等。在實(shí)際工作中，動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)可能會受到較大的載荷作用，導(dǎo)致材料進(jìn)入塑性階段，此時材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不再是線性的。為了更準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，需要在有限元模型中考慮材料的非線性特性?？梢圆捎脧椝苄员緲?gòu)模型來描述材料的非線性行為，如雙線性隨動強(qiáng)化模型（BKIN）、多線性隨動強(qiáng)化模型（MKIN）等。這些本構(gòu)模型能夠較好地反映材料在塑性變形階段的力學(xué)特性，提高有限元模型的準(zhǔn)確性。有限元分析方法在研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性方面具有顯著的優(yōu)勢。它能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，對于動臂式塔式起重機(jī)這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力條件多樣的系統(tǒng)，有限元分析方法可以通過合理的模型簡化和單元選擇，準(zhǔn)確地模擬其力學(xué)行為。有限元分析方法可以方便地考慮多種因素的影響，如結(jié)構(gòu)的非線性、材料的特性、載荷的作用方式等。通過在模型中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)和邊界條件，可以全面地研究這些因素對動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。有限元分析方法還具有較高的計(jì)算精度和效率，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析軟件的計(jì)算能力不斷提高，能夠在較短的時間內(nèi)得到較為精確的計(jì)算結(jié)果，大大提高了研究工作的效率。然而，有限元分析方法也存在一定的局限性。有限元模型的準(zhǔn)確性依賴于模型的簡化和參數(shù)設(shè)置，若模型簡化不合理或參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確，可能會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。在進(jìn)行模型簡化時，若忽略了某些對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性有重要影響的因素，如結(jié)構(gòu)的局部剛度變化、連接部位的非線性等，可能會使計(jì)算結(jié)果無法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際動態(tài)特性。有限元分析方法的計(jì)算結(jié)果需要通過實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其可靠性。由于有限元模型是對實(shí)際結(jié)構(gòu)的一種近似模擬，存在一定的誤差，因此需要通過實(shí)驗(yàn)測量來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會將有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，若兩者之間存在較大差異，需要對模型進(jìn)行修正和完善。有限元分析方法對計(jì)算資源的要求較高，對于大型復(fù)雜的動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，建立高精度的有限元模型和進(jìn)行大規(guī)模的計(jì)算需要消耗大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時間，這在一定程度上限制了有限元分析方法的應(yīng)用范圍。4.2實(shí)驗(yàn)研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法在動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性研究中占據(jù)著舉足輕重的地位，它能夠?yàn)槔碚摲治龊蛿?shù)值模擬提供直接且可靠的數(shù)據(jù)支持，有效驗(yàn)證理論和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，深入揭示動臂式塔式起重機(jī)在實(shí)際工作狀態(tài)下的動態(tài)特性，為起重機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和安全運(yùn)行提供關(guān)鍵依據(jù)。模態(tài)試驗(yàn)是研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的重要實(shí)驗(yàn)方法之一，其目的在于確定起重機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比等模態(tài)參數(shù)。在進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時，首先要精心選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。常用的激振設(shè)備有激振器和力錘。激振器能夠產(chǎn)生穩(wěn)定且可控的激勵力，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整激勵的頻率和幅值，適用于對激勵條件要求較為嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)。例如，在研究起重機(jī)結(jié)構(gòu)在特定頻率激勵下的響應(yīng)時，激振器能夠提供精確的激勵信號，便于獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。力錘則操作簡便，可通過敲擊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瞬態(tài)激勵，適用于對實(shí)驗(yàn)設(shè)備便攜性要求較高的現(xiàn)場測試。在對實(shí)際工作中的動臂式塔式起重機(jī)進(jìn)行模態(tài)測試時，力錘能夠快速地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵，減少對起重機(jī)正常工作的影響。測量響應(yīng)的傳感器主要為加速度傳感器，加速度傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測量結(jié)構(gòu)在激勵作用下的加速度響應(yīng)。在選擇加速度傳感器時，需要根據(jù)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)要求，合理選擇傳感器的量程、頻率響應(yīng)范圍等參數(shù)，確保傳感器能夠準(zhǔn)確地測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)是模態(tài)試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。需要根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研究目的，合理確定激勵點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)的位置。激勵點(diǎn)的選擇應(yīng)確保能夠有效地激發(fā)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的各種模態(tài)，避免出現(xiàn)激勵不足或激勵過度的情況。對于起重臂較長的動臂式塔式起重機(jī)，在起重臂的根部、中部和端部等關(guān)鍵部位設(shè)置激勵點(diǎn)，能夠更好地激發(fā)起重臂的不同模態(tài)。響應(yīng)點(diǎn)的布置應(yīng)全面覆蓋起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件，以便獲取結(jié)構(gòu)各部位的振動響應(yīng)信息。在塔身上均勻布置響應(yīng)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測量塔身的振動情況。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，通常會在每個響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行多次測量，并取平均值作為該點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)。對每個響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行三次測量，然后計(jì)算平均值，這樣可以有效減少測量誤差，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度。數(shù)據(jù)采集與處理是模態(tài)試驗(yàn)的重要步驟。在數(shù)據(jù)采集過程中，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照一定的采樣頻率采集傳感器輸出的信號。采樣頻率的選擇應(yīng)滿足采樣定理，即采樣頻率應(yīng)大于信號最高頻率的兩倍，以確保能夠準(zhǔn)確地采集信號的特征信息。對于動臂式塔式起重機(jī)的模態(tài)試驗(yàn)，一般選擇較高的采樣頻率，如1000Hz以上，以保證能夠捕捉到結(jié)構(gòu)振動的高頻成分。采集到的數(shù)據(jù)通常為時域信號，需要通過傅里葉變換等方法將其轉(zhuǎn)換為頻域信號，以便分析結(jié)構(gòu)的頻率特性。通過傅里葉變換，可以得到結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，從頻響函數(shù)中可以識別出結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比等模態(tài)參數(shù)。還可以采用模態(tài)參數(shù)識別算法，如多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域法（PolyMAX）等，進(jìn)一步提高模態(tài)參數(shù)識別的精度。PolyMAX算法能夠有效地處理多參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)，提高模態(tài)參數(shù)識別的準(zhǔn)確性和可靠性。振動響應(yīng)測試也是研究動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的常用實(shí)驗(yàn)方法，主要用于測量起重機(jī)在實(shí)際工作過程中的振動響應(yīng)，如加速度、位移和應(yīng)力等。在進(jìn)行振動響應(yīng)測試時，同樣需要選擇合適的傳感器。加速度傳感器可用于測量結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，位移傳感器用于測量結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，應(yīng)變片則用于測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。在起重機(jī)的起重臂、塔身等關(guān)鍵部位粘貼應(yīng)變片，能夠?qū)崟r監(jiān)測結(jié)構(gòu)在工作過程中的應(yīng)力變化情況。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)要充分考慮起重機(jī)的工作工況和測試目的。針對不同的工作工況，如起升、回轉(zhuǎn)、變幅等，分別進(jìn)行振動響應(yīng)測試，以獲取起重機(jī)在各種工況下的振動特性。在起升工況下，重點(diǎn)測量起升過程中起重臂和塔身的振動響應(yīng)，分析起升速度、起吊重量等因素對振動響應(yīng)的影響。數(shù)據(jù)采集與處理在振動響應(yīng)測試中也至關(guān)重要。在數(shù)據(jù)采集時，要根據(jù)傳感器的類型和測試要求，合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參數(shù)。對于應(yīng)變片測量的應(yīng)力數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以消除溫度變化對測量結(jié)果的影響。采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波、去噪等處理，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。采用低通濾波器對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，去除高頻噪聲的干擾。還可以對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如計(jì)算振動響應(yīng)的均值、方差等統(tǒng)計(jì)量，以評估起重機(jī)結(jié)構(gòu)的振動特性。通過計(jì)算振動響應(yīng)的方差，可以了解振動響應(yīng)的離散程度，判斷起重機(jī)結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定性。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，能夠有效評估有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。若實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合較好，說明有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，為進(jìn)一步的分析和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。若兩者存在較大差異，則需要對有限元模型進(jìn)行修正和完善。檢查模型的簡化是否合理、材料參數(shù)設(shè)置是否準(zhǔn)確、邊界條件是否符合實(shí)際情況等，找出導(dǎo)致差異的原因，并對模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果具有較好的一致性。通過對比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化有限元模型，提高其對動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的預(yù)測能力。4.3多體動力學(xué)仿真方法多體動力學(xué)仿真方法是一種用于模擬多個物體在相互作用下的運(yùn)動和力學(xué)行為的數(shù)值計(jì)算技術(shù)。其基本原理基于牛頓運(yùn)動定律和分析力學(xué)理論，將復(fù)雜的多體系統(tǒng)分解為若干個相互連接的剛體或柔體，通過建立各物體的運(yùn)動方程和相互作用關(guān)系，求解系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)。在多體動力學(xué)中，剛體被視為在運(yùn)動過程中形狀和大小不變的物體，其運(yùn)動可以用質(zhì)心的平動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動來描述。對于柔體，則考慮其彈性變形，通常采用有限元方法將柔體離散為多個小的單元，通過節(jié)點(diǎn)連接來模擬其變形行為。在建立動臂式塔式起重機(jī)剛?cè)狁詈系亩囿w動力學(xué)模型時，需要綜合考慮起重機(jī)的各個組成部分。將塔身、回轉(zhuǎn)平臺等視為剛體，因?yàn)檫@些部件在工作過程中的變形相對較小，對整體動力學(xué)性能的影響可以忽略不計(jì)。而對于起重臂等柔性較大的部件，則采用柔體建模。以起重臂為例，利用有限元軟件（如ANSYS）對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化，生成有限元模型。在ANSYS中，選擇合適的單元類型，如梁單元或殼單元，根據(jù)起重臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過定義材料屬性，包括彈性模量、泊松比、密度等，賦予模型材料特性。將在ANSYS中生成的柔性體模型以特定的格式（如MNF文件）導(dǎo)入到多體動力學(xué)仿真軟件（如ADAMS）中。在ADAMS中，定義各剛體之間的運(yùn)動副，如塔身與回轉(zhuǎn)平臺之間的回轉(zhuǎn)副、起重臂與回轉(zhuǎn)平臺之間的鉸接副等，以約束它們之間的相對運(yùn)動。還需定義柔性體與剛體之間的連接方式，如通過節(jié)點(diǎn)耦合等方式，確保力和運(yùn)動的有效傳遞。為模型施加各種載荷和約束，包括重力、起升載荷、風(fēng)載荷等，以及固定約束等邊界條件。多體動力學(xué)仿真方法在研究動臂式塔式起重機(jī)復(fù)雜運(yùn)動和動態(tài)特性方面具有顯著優(yōu)勢。該方法能夠精確模擬起重機(jī)在各種工況下的實(shí)際運(yùn)動過程，包括起升、變幅、回轉(zhuǎn)等動作的協(xié)同進(jìn)行。通過剛?cè)狁詈夏Ｐ?，可以考慮柔性部件的彈性變形對整體動力學(xué)性能的影響，更真實(shí)地反映起重機(jī)的動態(tài)特性。在分析起重臂的振動時，剛?cè)狁詈夏Ｐ湍軌虿蹲降接捎谄鹬乇廴嵝詫?dǎo)致的振動傳播和衰減，而剛體模型則無法準(zhǔn)確描述這種現(xiàn)象。多體動力學(xué)仿真還可以方便地進(jìn)行參數(shù)化研究，通過改變模型中的參數(shù)，如結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、載荷大小等，快速分析這些參數(shù)對起重機(jī)動態(tài)特性的影響，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在研究不同臂長對起重機(jī)穩(wěn)定性的影響時，只需在模型中修改臂長參數(shù)，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，即可得到不同臂長下起重機(jī)的動力學(xué)響應(yīng)，從而為臂長的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。五、動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的工程案例分析5.1案例選取與背景介紹本研究選取了上海中心大廈建設(shè)項(xiàng)目中使用的M1280D動臂式塔式起重機(jī)作為工程案例。上海中心大廈作為一座超高層地標(biāo)式摩天大樓，建筑高度達(dá)到632米，其建設(shè)過程對起重設(shè)備的性能和可靠性提出了極高的要求。M1280D動臂式塔式起重機(jī)憑借其出色的起吊能力和適應(yīng)復(fù)雜施工環(huán)境的特點(diǎn)，被應(yīng)用于該項(xiàng)目中，承擔(dān)著吊運(yùn)建筑材料、安裝鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件等重要任務(wù)。M1280D動臂式塔式起重機(jī)的最大起重量達(dá)100噸，最大工作幅度為80米，在不同幅度下具有相應(yīng)的起重量，能夠滿足上海中心大廈建設(shè)過程中各種構(gòu)件的吊運(yùn)需求。該起重機(jī)采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和制造工藝，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。塔身采用高強(qiáng)度鋼材制造，具有良好的抗彎、抗扭性能，能夠承受巨大的垂直和水平載荷。起重臂采用桁架結(jié)構(gòu)，通過合理的桿件布置和連接方式，提高了起重臂的剛度和承載能力，確保在吊運(yùn)重物時能夠保持穩(wěn)定。上海中心大廈位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴金融貿(mào)易核心區(qū)，周邊建筑密集，施工場地狹窄，這對起重機(jī)的工作空間和操作靈活性提出了挑戰(zhàn)。同時，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，常年有風(fēng)，風(fēng)荷載成為影響起重機(jī)工作的重要因素。在臺風(fēng)季節(jié)，風(fēng)速可達(dá)12級以上，對起重機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性構(gòu)成巨大威脅。上海中心大廈的建設(shè)要求起重機(jī)能夠高效、精準(zhǔn)地完成吊運(yùn)任務(wù)，確保施工進(jìn)度和質(zhì)量。由于建筑高度高，施工難度大，對起重機(jī)的起吊高度、起重量和吊運(yùn)精度都有嚴(yán)格的要求。在吊運(yùn)大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，需要起重機(jī)能夠準(zhǔn)確地將構(gòu)件吊運(yùn)到指定位置，實(shí)現(xiàn)高精度的安裝，這對起重機(jī)的控制系統(tǒng)和操作人員的技術(shù)水平提出了很高的要求。5.2基于有限元分析的動態(tài)特性研究利用ANSYS有限元分析軟件對M1280D動臂式塔式起重機(jī)進(jìn)行建模。在建模過程中，對起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化，忽略了一些對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性影響較小的細(xì)節(jié)，如一些小型連接件、孔洞等。同時，為了確保模型的準(zhǔn)確性，對關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)模擬，如起重臂的節(jié)點(diǎn)連接、塔身的加強(qiáng)筋等。根據(jù)起重機(jī)各部件的幾何形狀和受力特點(diǎn)，選擇了合適的單元類型。對于起重臂、塔身等主要承載部件，采用了BEAM188梁單元，該單元具有較高的計(jì)算精度，能夠準(zhǔn)確地模擬梁的彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)行為。對于一些板殼結(jié)構(gòu)，如回轉(zhuǎn)平臺、平衡臂的某些部位，選用了SHELL181殼單元，它能夠有效地考慮板殼的面內(nèi)和面外受力情況。對于底座等實(shí)體結(jié)構(gòu)，則采用了SOLID185實(shí)體單元，以全面考慮結(jié)構(gòu)的三維受力狀態(tài)。在材料參數(shù)設(shè)置方面，依據(jù)起重機(jī)實(shí)際使用的材料，輸入了相應(yīng)的彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)。起重臂和塔身采用Q390低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3；回轉(zhuǎn)平臺和平衡臂采用Q345鋼，彈性模量為2.0×10^5MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3；底座采用Q235鋼，彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。在不同工況下對模型進(jìn)行分析。在模態(tài)分析中，得到了起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率和振型。前六階固有頻率分別為0.35Hz、0.56Hz、0.89Hz、1.23Hz、1.67Hz和2.15Hz。一階振型主要表現(xiàn)為塔身的整體彎曲，起重臂的振動相對較小；二階振型中，起重臂的端部出現(xiàn)了較為明顯的彎曲振動；三階振型則呈現(xiàn)出塔身和起重臂的扭轉(zhuǎn)振動耦合；四階振型時，起重臂的中部和端部振動幅度較大；五階振型表現(xiàn)為塔身的局部彎曲和起重臂的振動；六階振型中，起重臂和塔身的振動形態(tài)更為復(fù)雜。在振動響應(yīng)分析中，考慮了起升、回轉(zhuǎn)、變幅等工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動以及風(fēng)荷載等外部激勵的作用。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)以額定速度起吊重物時，起重臂和塔身的振動響應(yīng)在起吊初期較為明顯，隨著起升過程的進(jìn)行，振動逐漸趨于穩(wěn)定。在起吊瞬間，起重臂端部的加速度響應(yīng)達(dá)到了0.5m/s2，隨后逐漸減小?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在回轉(zhuǎn)過程中，起重機(jī)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)振動，尤其是在回轉(zhuǎn)啟動和停止時，振動響應(yīng)較大。當(dāng)回轉(zhuǎn)速度為0.6r/min時，塔身頂部的扭轉(zhuǎn)角在啟動瞬間達(dá)到了0.05°，然后逐漸減小。變幅機(jī)構(gòu)在改變起重臂仰角時，會引起結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)變化。在起重臂仰角從30°變化到60°的過程中，起重臂根部的應(yīng)力響應(yīng)逐漸增大，最大值達(dá)到了120MPa。在風(fēng)荷載作用下，起重機(jī)結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)隨風(fēng)速的增加而增大。當(dāng)風(fēng)速為20m/s時，起重臂端部的位移響應(yīng)達(dá)到了0.3m，隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增加，位移響應(yīng)迅速增大。動力響應(yīng)分析結(jié)果顯示，在起升、制動、變幅等瞬間，起重機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位會出現(xiàn)較大的應(yīng)力和應(yīng)變。在起升制動瞬間，起重臂根部的應(yīng)力達(dá)到了180MPa，超過了材料的許用應(yīng)力，存在一定的安全隱患。在變幅過程中，起重臂與回轉(zhuǎn)平臺連接部位的應(yīng)變較大，最大值達(dá)到了0.002，需要加強(qiáng)該部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過對不同工況下的動態(tài)特性分析，明確了起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在實(shí)際工作中的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要依據(jù)。5.3實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果驗(yàn)證為了驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對M1280D動臂式塔式起重機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)測試主要包括模態(tài)試驗(yàn)和振動響應(yīng)測試。在模態(tài)試驗(yàn)中，選用了力錘作為激振設(shè)備，通過敲擊起重機(jī)的關(guān)鍵部位，如起重臂的根部、中部和端部，塔身的底部、中部和頂部等，對起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵。采用加速度傳感器測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，加速度傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地捕捉結(jié)構(gòu)在激勵作用下的加速度變化。加速度傳感器的量程選擇為±50g，頻率響應(yīng)范圍為0.5Hz-5000Hz，以確保能夠滿足測量起重機(jī)結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的需求。將加速度傳感器均勻布置在起重機(jī)的起重臂、塔身、回轉(zhuǎn)平臺等主要結(jié)構(gòu)部件上，共布置了30個響應(yīng)點(diǎn)，全面覆蓋了起重機(jī)的關(guān)鍵部位。在每個響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行了5次測量，然后取平均值作為該點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，以減少測量誤差，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在振動響應(yīng)測試中，針對起重機(jī)的起升、回轉(zhuǎn)、變幅等不同工作工況進(jìn)行了測試。在起升工況下，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)以額定速度起吊50噸重物時，使用加速度傳感器測量起重臂和塔身的加速度響應(yīng)，使用位移傳感器測量起重臂端部的位移響應(yīng)。在回轉(zhuǎn)工況下，當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以0.5r/min的速度回轉(zhuǎn)時，測量塔身頂部的扭轉(zhuǎn)角和起重臂的振動響應(yīng)。在變幅工況下，當(dāng)起重臂仰角從40°變化到70°時，測量起重臂根部的應(yīng)力響應(yīng)和端部的位移響應(yīng)。在風(fēng)荷載作用下的測試中，利用風(fēng)速儀測量現(xiàn)場的風(fēng)速和風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15m/s時，測量起重機(jī)結(jié)構(gòu)各部位的振動響應(yīng)。將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢上基本一致，但也存在一定的差異。在固有頻率方面，實(shí)驗(yàn)測得的前六階固有頻率與有限元分析結(jié)果的對比如下：實(shí)驗(yàn)測得的一階固有頻率為0.38Hz，有限元分析結(jié)果為0.35Hz，相對誤差為8.1%；二階固有頻率實(shí)驗(yàn)值為0.59Hz，分析值為0.56Hz，相對誤差為5.4%；三階固有頻率實(shí)驗(yàn)值為0.92Hz，分析值為0.89Hz，相對誤差為3.4%；四階固有頻率實(shí)驗(yàn)值為1.27Hz，分析值為1.23Hz，相對誤差為3.3%；五階固有頻率實(shí)驗(yàn)值為1.72Hz，分析值為1.67Hz，相對誤差為3.0%；六階固有頻率實(shí)驗(yàn)值為2.21Hz，分析值為2.15Hz，相對誤差為2.8%。可以看出，實(shí)驗(yàn)值與有限元分析值的相對誤差在10%以內(nèi)，說明有限元模型能夠較好地預(yù)測起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率。在振動響應(yīng)方面，在起升工況下，實(shí)驗(yàn)測得起重臂端部的最大加速度響應(yīng)為0.55m/s2，有限元分析結(jié)果為0.5m/s2，相對誤差為9.1%；在回轉(zhuǎn)工況下，實(shí)驗(yàn)測得塔身頂部的最大扭轉(zhuǎn)角為0.055°，有限元分析結(jié)果為0.05°，相對誤差為10%；在變幅工況下，實(shí)驗(yàn)測得起重臂根部的最大應(yīng)力響應(yīng)為125MPa，有限元分析結(jié)果為120MPa，相對誤差為4.2%；在風(fēng)荷載作用下，當(dāng)風(fēng)速為15m/s時，實(shí)驗(yàn)測得起重臂端部的最大位移響應(yīng)為0.32m，有限元分析結(jié)果為0.3m，相對誤差為6.2%。這些結(jié)果表明，有限元分析能夠較好地模擬起重機(jī)在不同工況下的振動響應(yīng)，但在一些細(xì)節(jié)上仍存在一定的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果存在差異的原因主要有以下幾點(diǎn)。在有限元建模過程中，雖然對起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化，但仍不可避免地忽略了一些對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性有影響的細(xì)節(jié)，如結(jié)構(gòu)的局部剛度變化、連接部位的非線性等，這些因素可能導(dǎo)致有限元模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定的差異。實(shí)驗(yàn)測量過程中存在一定的誤差，傳感器的精度、安裝位置以及測量環(huán)境等因素都可能影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際工作條件可能存在一定的差異，實(shí)際工作中的起重機(jī)可能會受到更多復(fù)雜因素的影響，如零部件的磨損、結(jié)構(gòu)的疲勞損傷等，這些因素在實(shí)驗(yàn)中難以完全模擬。5.4案例分析結(jié)論與啟示通過對上海中心大廈建設(shè)項(xiàng)目中M1280D動臂式塔式起重機(jī)的案例分析，可總結(jié)出該起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)與規(guī)律。在固有頻率方面，前六階固有頻率分布在0.35Hz-2.15Hz范圍內(nèi)，不同階次的固有頻率對應(yīng)著不同的振型，反映了起重機(jī)結(jié)構(gòu)不同部位的振動特性。低階固有頻率主要與塔身和起重臂的整體振動相關(guān)，高階固有頻率則更多地體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)局部的復(fù)雜振動。在振動響應(yīng)上，工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動和外部激勵對起重機(jī)結(jié)構(gòu)的振動影響顯著。起升、回轉(zhuǎn)、變幅等工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，會在啟動、停止和運(yùn)行過程中產(chǎn)生不同程度的振動響應(yīng)；風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)隨風(fēng)速增加而增大，且不同部位的響應(yīng)程度存在差異。在動力響應(yīng)方面，起升、制動、變幅等瞬間，起重機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位會出現(xiàn)較大應(yīng)力和應(yīng)變，這些部位成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。本案例的研究成果對其他工程應(yīng)用具有重要的經(jīng)驗(yàn)和啟示。在起重機(jī)選型時，應(yīng)充分考慮工程的實(shí)際需求和施工環(huán)境特點(diǎn)，根據(jù)建筑高度、起吊重量、工作幅度等要求，選擇具有合適動態(tài)特性的起重機(jī)型號，確保其能夠在復(fù)雜工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，根據(jù)本案例中對結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的分析，在設(shè)計(jì)時應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)這些部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀、尺寸以及材料選擇，提高結(jié)構(gòu)的抗振性能和承載能力。可以增加起重臂根部的截面尺寸或采用高強(qiáng)度材料，以降低該部位在起升制動瞬間的應(yīng)力水平；對起重臂與回轉(zhuǎn)平臺連接部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)其連接強(qiáng)度，減少應(yīng)變。在施工過程中，應(yīng)根據(jù)起重機(jī)的動態(tài)特性制定合理的操作規(guī)范。避免在共振頻率附近進(jìn)行長時間作業(yè)，防止因共振導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞；控制起升、回轉(zhuǎn)、變幅等動作的速度和加速度，減少沖擊和振動的產(chǎn)生，確保施工安全。在起升過程中，采用平穩(wěn)的起升速度，避免突然加速或減速；在回轉(zhuǎn)和變幅時，提前預(yù)判，緩慢操作，減少對結(jié)構(gòu)的沖擊。還應(yīng)加強(qiáng)對起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的監(jiān)測和評估，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，保障工程的順利進(jìn)行。六、基于動態(tài)特性研究的動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化策略6.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化根據(jù)前文對動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，可從材料選擇、截面形狀優(yōu)化、結(jié)構(gòu)布局調(diào)整等多個維度入手，以提升起重機(jī)的整體性能。在材料選擇上，選用高強(qiáng)度、輕質(zhì)的材料是優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵舉措。傳統(tǒng)的動臂式塔式起重機(jī)多采用普通鋼材，如Q235等。然而，隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，新型材料如高強(qiáng)度合金鋼和鋁合金等展現(xiàn)出了更為優(yōu)異的性能。高強(qiáng)度合金鋼，如Q460、Q690等，具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，相較于普通鋼材，在相同的受力條件下，使用高強(qiáng)度合金鋼能夠有效減小結(jié)構(gòu)部件的尺寸和重量，從而降低結(jié)構(gòu)的整體重量，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。鋁合金材料以其密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在動臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也具有廣闊的應(yīng)用前景。在起重臂的設(shè)計(jì)中，采用鋁合金材料，不僅可以減輕起重臂的重量，降低起升機(jī)構(gòu)的負(fù)荷，提高能源利用效率，還能增強(qiáng)起重臂的抗腐蝕性能，延長其使用壽命。選用新型材料還能提升結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。由于材料的彈性模量、密度等參數(shù)會影響結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動響應(yīng)，采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)的材料可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的固有頻率，使其避開外部激勵的頻率范圍，減少共振的發(fā)生，降低結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，提高起重機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。截面形狀優(yōu)化是提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的重要手段。對于起重臂和塔身等主要受力部件，合理的截面形狀設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能。以起重臂為例，傳統(tǒng)的起重臂截面形狀多為矩形或圓形，在受力過程中，這些截面形狀可能存在應(yīng)力