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塔式起重機(jī)頂升套架設(shè)計(jì)方法的研究論文
塔式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)塔機(jī))是工程建設(shè)過(guò)程中不可缺少的設(shè)備之一，其主要功能是完成建設(shè)施工材料的水平和垂直的輸送。由于中國(guó)自升式塔機(jī)具有施工速度快，能夠很方便地完成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的頂升加高等工作，從而更好地滿(mǎn)足了建設(shè)施工的需要，在當(dāng)前的工程建設(shè)過(guò)程中得到了極為廣泛的應(yīng)用。按照頂升方式的不同我們可將自升式塔機(jī)分為兩種型式，即側(cè)面頂升塔機(jī)和中心頂升塔機(jī)，兩種型式塔機(jī)的明顯區(qū)別在于前者頂升時(shí)回轉(zhuǎn)中心與頂升油缸中心不重合，而后者則重合。目前在建設(shè)工地上使用較多的是側(cè)面頂升塔機(jī)，其頂升油缸和頂升橫梁都在同一側(cè)面，本文主要分析的是側(cè)面頂升塔機(jī)。中國(guó)該型式塔機(jī)在實(shí)施頂升過(guò)程中塔機(jī)上下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)必須斷開(kāi)聯(lián)接，上部的塔身僅僅依靠頂升油缸來(lái)支撐，由于頂升時(shí)回轉(zhuǎn)中心與油缸中心不重合，假如找平衡不準(zhǔn)確或者遇到一些突發(fā)性的事件時(shí)都會(huì)嚴(yán)重影響到頂升工作的安全。從以往的塔機(jī)事故統(tǒng)計(jì)表明，在頂升過(guò)程中發(fā)生安全事故的比例相當(dāng)高，多數(shù)都是人為因素(如違反操作規(guī)程等) 造成，但是也有屬于塔機(jī)結(jié)構(gòu)本身的因素。基于以上分析，我們應(yīng)當(dāng)在保證工程建設(shè)安全的基礎(chǔ)上，對(duì)塔機(jī)頂升套架的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析和研究。
1 塔機(jī)頂升套架的結(jié)構(gòu)分析
由于頂升套架是塔機(jī)在頂升階段的重要受力結(jié)構(gòu)，因此我們?cè)谶M(jìn)行頂升套架的結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮影響頂升套架結(jié)構(gòu)重心的所有因素。在實(shí)際的頂升作業(yè)過(guò)程中，如何調(diào)整上部塔身的重心，使上部塔身達(dá)到平衡穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)安全頂升作業(yè)的關(guān)鍵。但是由于此時(shí)塔機(jī)受到各種載荷(如風(fēng)載荷等)的影響，加載的載荷種類(lèi)十分繁多，載荷的重量又在不斷變化，并且載荷的方向是隨時(shí)變化的，這種情況極易造成塔機(jī)的側(cè)翻，甚至?xí)a(chǎn)生塔身的扭轉(zhuǎn)變形。為了有效的解決這一問(wèn)題，我們通常在套架和塔身之間設(shè)計(jì)安裝多個(gè)滾輪來(lái)進(jìn)行調(diào)整。因?yàn)轫斏龝r(shí)塔機(jī)所承受的載荷的大小和方向是隨機(jī)變化的，光靠若干個(gè)滾輪無(wú)法滿(mǎn)足受力要求，而且此時(shí)的滾輪有一些受力，有一些不受力，所以這種方式能夠有效的避免因壓力作用產(chǎn)生的塔機(jī)側(cè)翻現(xiàn)象，但是對(duì)于中國(guó)因拉力作用產(chǎn)生的塔機(jī)側(cè)翻現(xiàn)象卻無(wú)能為力。另一方面，由于頂升時(shí)套架的上部分和回轉(zhuǎn)支座連接在一起，因此上部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的載荷作用能夠通過(guò)回轉(zhuǎn)支座傳遞到頂升套架上面來(lái)。雖然頂升套架的結(jié)構(gòu)剛度較差，但是回轉(zhuǎn)支座所具有的剛度非常好，把兩個(gè)不同剛度的框架式結(jié)構(gòu)連接在一起使用是頂升套架結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要特性。此外在頂升加高時(shí)把塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)推進(jìn)來(lái)的時(shí)候是通過(guò)頂升結(jié)構(gòu)的側(cè)面完成的。也就是說(shuō)，在進(jìn)行頂升套架設(shè)計(jì)制造時(shí)，其中有一個(gè)側(cè)面必須預(yù)留足夠的空間，不允許有任何金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，才能滿(mǎn)足頂升時(shí)把塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)引入或推出來(lái)，這樣的結(jié)構(gòu)使套架的剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)的能力大大降低。以上這些因素在進(jìn)行套架設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮，以確保塔機(jī)的安全使用。
2 在進(jìn)行頂升套架的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題
2. 1 套架框架和回轉(zhuǎn)支座的結(jié)構(gòu)差異造成的剛度差異
由于頂升時(shí)套架的上部分和回轉(zhuǎn)支座連接在一起，套架上部結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)受到回轉(zhuǎn)支座的影響，因此在進(jìn)行頂升套架的設(shè)計(jì)制造時(shí)可以借助一些剛度較大的撐桿來(lái)替代實(shí)體的回轉(zhuǎn)支座，該種方式下所獲得的替代效果與實(shí)體回轉(zhuǎn)支座相比較誤差并不大，因此得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。中國(guó)還有另一種方式就是設(shè)計(jì)時(shí)將回轉(zhuǎn)支座直接劃歸為實(shí)體單元，把它和下部的套架框架構(gòu)成一個(gè)混合單元建模進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)然這種方式的計(jì)算比較麻煩，但是最終獲得的結(jié)果較為直觀。如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明摘自：中國(guó)
2. 2 塔身結(jié)構(gòu)剛度和滾輪之間的相互作用
通過(guò)上述分析可知，由于塔機(jī)頂升作業(yè)時(shí)上部結(jié)構(gòu)的不平衡，造成其所產(chǎn)生的不平衡力主要由頂升套架與塔身之間的滾輪進(jìn)行支撐。而滾輪的受力情況直接受到套架的剛度和塔身的剛度的共同影響。雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)充分考慮了套架的剛度，但是對(duì)于滾輪下部的接觸點(diǎn)的支撐情況并不能作出較為準(zhǔn)確的判斷。在這種情況下，設(shè)計(jì)時(shí)我們可以將頂升套架結(jié)構(gòu)和塔身相結(jié)合成為一個(gè)有機(jī)的整體，借助有限元分析軟件(如ANSYS 軟件)建立有限元模型，根據(jù)滾輪所受的壓力或拉力進(jìn)行定義，對(duì)創(chuàng)建的有限元模型進(jìn)行計(jì)算。由于塔身的高度和滾輪的間隙產(chǎn)生變化時(shí)也會(huì)對(duì)塔身的剛度要求產(chǎn)生較大的影響，因此在實(shí)際計(jì)算時(shí)需要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)計(jì)算才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。
2. 3 滾輪的受力情況
在使用有限元分析軟件進(jìn)行建模時(shí)要注意滾輪的受力情況。由于我們中國(guó)知網(wǎng)論文檢測(cè)建模時(shí)是用桿單元來(lái)模擬滾輪進(jìn)行計(jì)算的，但是在分析研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，桿件能夠承受拉力，但是滾輪不能夠承受拉力，如此一來(lái)，就要將所創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)中承受拉力的滾輪去除，而對(duì)于承受壓力的滾輪進(jìn)行保留，再進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。然而由于去除了受拉力的滾輪，就會(huì)導(dǎo)致原來(lái)承受壓力的某些桿件轉(zhuǎn)為承受拉力的桿件，只有反復(fù)去除承受拉力的滾輪來(lái)進(jìn)行計(jì)算才能夠獲得較為準(zhǔn)確地結(jié)果。需要注意的是，由于去除了承受拉力的滾輪會(huì)導(dǎo)致滾輪單元桿件受力情況的變化，因此在實(shí)際的受力計(jì)算過(guò)程中應(yīng)當(dāng)將去除的受力滾輪所受的拉力加以恢復(fù)，以獲取較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
3 設(shè)計(jì)實(shí)例
本文主要以TC6016 塔機(jī)作為例子對(duì)頂升套架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其設(shè)計(jì)過(guò)程中主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題:
(1)按照標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的大小，對(duì)頂升套架鋼結(jié)構(gòu)主弦桿中心距離進(jìn)行確定。兩者外形尺寸之間相差400 ～ 450mm 為最佳。
(2)對(duì)液壓頂升油缸的安裝距離和液壓油缸的行程進(jìn)行確定。按照中國(guó)知網(wǎng)論文標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的高度A、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)下部水平腹桿位置大小B 以及滾輪支架上滾輪底部和底板上表面的距離C，將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)需要的最小空間確定為L(zhǎng)(L 指的是液壓有缸頂升兩個(gè)行程需要頂升的最低距離)。那么就有L= A + B - C + 30，其中30 指的是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在引進(jìn)時(shí)之間的距離，然后可以對(duì)液壓油缸的最低行程Hmin進(jìn)行確定。
Hmin = L - A/2 + P，(P 指的是一次頂升的空行程，通常為40mm)油缸安裝的大小和油缸行程主要參考液壓油缸的最低行程Hmin值來(lái)進(jìn)行確定。
由于套架整體受力的均勻性和頂升套架上下兩層導(dǎo)向滾輪之間的距離成正比，按照《塔式起重機(jī)安全規(guī)程》(GB5144) 中的相關(guān)要求:自升式塔機(jī)在加節(jié)作業(yè)時(shí)，任一頂升循環(huán)中即使頂升油缸的活塞桿全部伸出，塔身上端面至少應(yīng)比頂升套架上排導(dǎo)向滾輪中心線高60mm。因此上層導(dǎo)向滾輪橫向布置的極限位置需要根據(jù)L 和預(yù)留余量的要求來(lái)確定。套架在頂升時(shí)，由于需要操作的動(dòng)作比較多，為了保證設(shè)計(jì)尺寸的合理性，可以對(duì)頂升的過(guò)程進(jìn)行模擬，從而確定最后的尺寸進(jìn)行。
(3)布置導(dǎo)向滾輪。目前國(guó)產(chǎn)塔機(jī)頂升套架導(dǎo)向滾輪布置的方式主要有單滾輪和雙滾輪兩種。
因?yàn)樗䴔C(jī)在頂升過(guò)程中往往會(huì)在其頂部產(chǎn)生不平衡載荷，而所產(chǎn)生中國(guó)期刊的載荷全部由套架導(dǎo)向滾輪進(jìn)行承擔(dān)，而雙滾輪因?yàn)槠湓诮Y(jié)構(gòu)上具有的獨(dú)特性質(zhì)，能夠保證塔機(jī)在兩個(gè)方向上的受力都保持一致，所以在塔機(jī)上的應(yīng)用較廣泛。單滾輪結(jié)構(gòu)卻不具備這樣的性質(zhì)，因?yàn)樵陧斏鳂I(yè)時(shí)由于滾輪的輪緣和主弦桿之間的間隙過(guò)大，容易產(chǎn)生導(dǎo)向失效或者啃軌現(xiàn)象。因此單滾輪結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用在中小型的塔機(jī)上。由于設(shè)備根本需求的差異，在實(shí)際的設(shè)備建造和設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分的考慮設(shè)備的真實(shí)需求，從而設(shè)計(jì)出能夠滿(mǎn)足實(shí)際的施工需求的建筑設(shè)備。
4 結(jié)論
綜上所述，在使用上述方法對(duì)塔機(jī)頂升套架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以確保塔機(jī)使用過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性，安裝和使用也比較方便，具有一定的參考價(jià)值。
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