塔式起重机结构系统动态优化设计

基于工程力学的塔吊设计与优化塔吊作为一种重要的起重设备，在建筑工地和工业生产中扮演着重要的角色。

它的设计和优化是工程力学的重要应用之一。

本文将从结构设计、力学分析和优化三个方面，探讨基于工程力学的塔吊设计与优化。

一、结构设计塔吊的结构设计是塔吊设计中的关键环节。

在设计过程中，需要考虑塔吊的高度、吊臂长度、底座尺寸等因素。

首先，塔吊的高度需要根据工地的实际情况进行合理确定。

如果工地空间狭小，塔吊高度过高可能会造成安全隐患。

其次，吊臂长度的选择需要根据工程的需求和吊物的重量来确定。

吊臂过长可能会导致结构不稳定，吊物的重量过大可能会超过塔吊的承载能力。

最后，底座尺寸的设计需要考虑塔吊的稳定性。

底座尺寸过小可能会导致塔吊倾斜或倒塌，而过大则会浪费空间。

二、力学分析力学分析是塔吊设计中不可或缺的一部分。

在设计过程中，需要进行静力学和动力学分析。

静力学分析主要用于确定塔吊的稳定性和承载能力。

通过计算各个部件的受力情况，可以确定塔吊的最大承载能力，从而保证工程的安全进行。

动力学分析主要用于分析塔吊在工作过程中的振动情况。

通过分析塔吊的振动特性，可以采取相应的措施来减小振动幅度，提高工作效率。

三、优化设计优化设计是塔吊设计中的重要环节。

通过优化设计，可以提高塔吊的性能和效率。

首先，可以通过材料的选择和结构的优化来减小塔吊的自重。

减小自重可以减小塔吊的能耗，提高工作效率。

其次，可以通过改进塔吊的控制系统来提高操作的精度和稳定性。

优化控制系统可以使塔吊的运动更加平稳，减小误差，提高工作效率。

最后，可以通过改进塔吊的安全系统来提高工作的安全性。

优化安全系统可以减小事故的发生概率，保护工作人员的安全。

综上所述，基于工程力学的塔吊设计与优化是一个复杂而重要的任务。

在设计过程中，需要考虑结构设计、力学分析和优化设计等多个方面。

通过合理的结构设计，精确的力学分析和科学的优化设计，可以提高塔吊的性能和效率，保证工程的安全进行。

塔式起重机臂架优化设计马洪锋 颜 婷江苏徐工工程机械研究院有限公司 徐州 221000摘 要：臂架是塔式起重机的主要承载受力构件，其承载能力直接影响整机的起重性能与安全；桁架是塔式起重机臂架的典型结构形式，臂架稳定性是限制桁架臂承载能力的主要力学问题之一。

文中基于屈曲理论对臂架进行稳定性计算，同时通过有限元法讨论了初始缺陷系数对桁架臂最大承载能力的影响,并结合桁臂架破坏试验对其承载能力进行评估。

经与试验对比，验证了有限元方法的正确性，说明设计标准中理论计算的保守性与局限性。

另外，还采用有限元方法讨论了臂架主弦及腹杆规格、跨数等对臂架屈曲失稳性能的影响，其分析结果可为设计提供参考依据；采用匹配合理的主弦和腹杆截面尺寸以提高桁架式臂架的抗屈曲能力。

经对塔式起重机臂架进行匹配优化设计研究，在保障结构安全的基础上，结构实现轻量化为13.5%。

关键词：塔式起重机；桁架臂；稳定性；匹配优化；研究中图分类号：TH213.3 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2022）2-0042-05Abstract: Boom is the main stress component of tower cranes, and its bearing capacity directly affects the hoistingperformance and safety of the whole crane. Truss is a typical boom structure of tower cranes, and the stability of boom is one of the main factors that limit the carrying capacity of truss. Based on buckling theory, the stability of the boom was calculated. Meanwhile, the influence of initial defect coefficient on the maximum bearing capacity of the truss was discussed with finite element method, and its bearing capacity was evaluated in combination with the failure test of the truss. Comparisons results has proved the correctness of the finite element method, and shows that the theoretical calculation in the design standard is conservative and limited. In addition, the influence of the specification and span number of the main chord and web of the boom on the buckling instability of the boom is discussed with finite element method, and analysis results can be used as a reference in design. The matching cross-sectional dimensions of the main chord and web member were selected to improve the buckling resistance of the truss. Research on matching optimization of tower crane boom can reduce the structural weight by 13.5% on the premise of ensuring structural safety.Keywords: tower crane; truss; stability; matching optimization; research0 引言臂架是塔式起重机（以下简称塔机）的主要承载结构件之一，其构造多样且受力复杂，其承载能力直接影响整机的起重性能与安全[1]。

浅谈如何优化设计塔式起重机结构系统【摘要】现阶段，塔式起重机在设计上主要采用的是经验设计与类比设计，即使使用优化设计，通常也只是选择结构质量最小当做优化目标，而在其动态性方面的实践往往只停留在模态研究与动态响应研究方面，对于优化设计和动态分析结合的讨论、实践依然不足。

本文建立动态优化数学模型，并确定了动态优化的设计变量，结果动为移幅值降低幅度达到59.5%，结构质量降低幅度为11.2%。

【关键词】塔式起重机；结构系统；优化塔机工作时由于受到起升、回转、变幅各机构过程中造成的频繁启动、制动和耦合运动的影响，会使得结构不断受到强烈的冲击与震动，形成持续时期较长的衰减震动。

部分情况下，如果震动严重，除了会降低塔机的工作效率，阻碍司机的正常操作外，还会对于主要结构件带来疲劳破坏。

当前，随着高强度钢材的广泛应用，结构的强度和稳定性已经得到了保证，然而结构的静、动刚度问题则愈加明显，对其动态性能进行优化设计已经成为当前亟待解决的问题。

1 塔机结构振动特性本文选择某固定式塔机为例，采用有限元法对其做模态分析。

其中，塔机身高是48.5米，起重臂长度为70米，最大起重力矩的值是4440kN·m。

如图1所示是该塔机的有限元模型，塔机旋杆使用的是空间梁单元模拟，塔机腹杆和拉杆使用的是杆单元模拟，塔机钢丝绳采用的是弹簧单元模拟，而吊重以及平衡重使用的是质量单元模拟。

图1 塔机结构系统的有限元模型基于最大起重力矩工况而得出的系统前8阶固有频率，其中第1阶固有频率的值是0.126，对应的主振型是塔身的扭转震振动；第2阶固有频率的值是0.179，对应的是塔身在变幅平面进行的左右摆动，第3阶固有频率的值是0.322，对应的是塔身的前后摆动；第4阶固有频率的值是0.436，对应的是塔身在变幅平面所做的的左右摆动，臂架在变幅平面上所做的上下摆动，和吊重所做的上下摆动；第5阶固有频率的值是0.703，对应的是臂架和吊重所做的上下摆动；第6阶固有频率的值是0.716，对应的是臂架在回转平面上所进行的弯曲振动；第7阶固有频率的值是1.617，对应的是臂架在变幅平面所进行的弯曲振动；第8阶固有频率的值是1.712，所对应的是臂架的扭转振动。

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。

固定塔式起重机的自动化控制与优化算法自动化控制与优化是现代工程领域中重要的研究方向之一。

在建筑施工过程中，固定塔式起重机起着举足轻重的作用。

固定塔式起重机的自动化控制与优化算法的研究，旨在提高起重机的工作效率和安全性，降低施工成本。

本文将从自动化控制系统和优化算法两个方面，探讨固定塔式起重机的自动化控制与优化算法。

一、固定塔式起重机的自动化控制系统固定塔式起重机通常由控制台、操作杆、起重机臂、起重机塔、液压系统、电气系统等组成。

自动化控制系统的主要任务是实现起重机的自动化操作和监控。

常见的自动化控制系统包括传感器、执行器、控制器和人机界面。

1. 传感器：用于采集起重机工作环境的相关数据，如起重物的重量、摆动幅度、高度等。

传感器通常包括载荷传感器、角度传感器、高度传感器等。

2. 执行器：起重机控制系统的执行器通常是液压驱动系统和电机驱动系统。

液压驱动系统用于控制起重机臂的升降和伸展，而电机驱动系统用于控制起重机车的移动。

3. 控制器：控制器是整个自动化控制系统的核心，负责接收传感器采集到的数据，并根据预设的控制策略进行处理和决策。

控制器的性能直接影响着起重机的工作效率和安全性。

常见的控制器包括PLC（可编程逻辑控制器）、SCADA（监视、控制和数据采集系统）以及上位机控制系统等。

4. 人机界面：人机界面用于操作员与控制系统进行互动和信息交流。

一般来说，人机界面应具备直观、友好、易操作的特点，以提高操作员的工作效率和减少误操作的可能性。

固定塔式起重机的自动化控制系统通过传感器采集到的环境数据，由控制器进行处理和决策，并通过执行器对起重机进行自动操作和监控。

这样的自动化控制系统能够提高起重机的工作效率、安全性和稳定性，减少人为操作的需求，降低了人为因素引起的事故风险。

二、固定塔式起重机的优化算法优化算法在固定塔式起重机中的应用旨在提高起重机的工作效率和成本效益。

常见的优化算法包括动态规划、遗传算法、模拟退火算法等。

固定塔式起重机的控制策略和性能优化概述：固定塔式起重机是一种常见的工业机械设备，被广泛应用于建筑工地、码头、船坞等场所。

为了确保固定塔式起重机的安全和效率，制定合理的控制策略和进行性能优化是非常重要的。

本文将探讨固定塔式起重机的控制策略和性能优化的相关问题，并提出一些实用的解决方案。

一、固定塔式起重机的控制策略1. 位置控制策略固定塔式起重机在工作中需要精确控制吊钩的位置。

为了实现位置控制，可以采用闭环控制系统。

该系统通过测量吊钩位置，与给定的目标位置进行比较，并根据误差信号来调整塔式起重机的运动。

常用的位置控制方法有位置PID控制、自适应控制和模糊控制等。

2. 动态控制策略固定塔式起重机在工作中需要执行一系列复杂的动作，如起重、转动、升降等。

为了实现这些动作的顺利执行，需要设计合理的动态控制策略。

常用的动态控制方法有PID控制、模型预测控制和神经网络控制等。

这些方法可以根据实际需求进行选择和组合，以提高固定塔式起重机的动态性能和运动质量。

3. 稳定性控制策略固定塔式起重机在工作中容易受到外界环境的影响，如风力、震动等。

为了确保其稳定性，需要采取相应的措施进行稳定性控制。

常见的稳定性控制方法包括风力补偿控制、振动抑制控制和自适应控制等。

这些方法可以在控制系统中引入传感器和反馈装置，实时监测环境变化，并根据测量结果进行相应的调整，以确保固定塔式起重机的稳定性。

二、固定塔式起重机的性能优化1. 动态性能优化固定塔式起重机的动态性能直接影响其工作效率和精度。

为了提高动态性能，可以采用以下优化方法：- 优化系统的动力学模型，确保其能够准确预测起重机的响应和动作。

- 优化控制算法，通过改善位置控制、速度控制和加速度控制等方面的性能，提高起重机的运动准确性和稳定性。

- 优化机械结构，通过改进起重机的材料选择、结构刚度和减振装置等，减少机械振动和共振现象，提高起重机的动态性能。

2. 能耗优化固定塔式起重机在工作中需要消耗大量的能源，为了降低工作成本和环境影响，需要进行能耗优化。