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塔式起重機頂升套架設(shè)計方法的研究論文
塔式起重機(以下簡稱塔機)是工程建設(shè)過程中不可缺少的設(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。由于中國自升式塔機具有施工速度快，能夠很方便地完成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的頂升加高等工作，從而更好地滿足了建設(shè)施工的需要，在當(dāng)前的工程建設(shè)過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分為兩種型式，即側(cè)面頂升塔機和中心頂升塔機，兩種型式塔機的明顯區(qū)別在于前者頂升時回轉(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，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。中國該型式塔機在實施頂升過程中塔機上下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)必須斷開聯(lián)接，上部的塔身僅僅依靠頂升油缸來支撐，由于頂升時回轉(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)性的事件時都會嚴(yán)重影響到頂升工作的安全。從以往的塔機事故統(tǒng)計表明，在頂升過程中發(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，對塔機頂升套架的設(shè)計進(jìn)行深入的分析和研究。
1 塔機頂升套架的結(jié)構(gòu)分析
由于頂升套架是塔機在頂升階段的重要受力結(jié)構(gòu)，因此我們在進(jìn)行頂升套架的結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)當(dāng)充分考慮影響頂升套架結(jié)構(gòu)重心的所有因素。在實際的頂升作業(yè)過程中，如何調(diào)整上部塔身的重心，使上部塔身達(dá)到平衡穩(wěn)定是實現(xiàn)安全頂升作業(yè)的關(guān)鍵。但是由于此時塔機受到各種載荷(如風(fēng)載荷等)的影響，加載的載荷種類十分繁多，載荷的重量又在不斷變化，并且載荷的方向是隨時變化的，這種情況極易造成塔機的側(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題，我們通常在套架和塔身之間設(shè)計安裝多個滾輪來進(jìn)行調(diào)整。因為頂升時塔機所承受的載荷的大小和方向是隨機變化的，光靠若干個滾輪無法滿足受力要求，而且此時的滾輪有一些受力，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)生的塔機側(cè)翻現(xiàn)象，但是對于中國因拉力作用產(chǎn)生的塔機側(cè)翻現(xiàn)象卻無能為力。另一方面，由于頂升時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回轉(zhuǎn)支座傳遞到頂升套架上面來。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)的一個主要特性。此外在頂升加高時把塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)推進(jìn)來的時候是通過頂升結(jié)構(gòu)的側(cè)面完成的。也就是說，在進(jìn)行頂升套架設(shè)計制造時，其中有一個側(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)，才能滿足頂升時把塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)引入或推出來，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)計時必須充分考慮，以確保塔機的安全使用。
2 在進(jìn)行頂升套架的設(shè)計時應(yīng)當(dāng)注意的問題
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)的剛度會受到回轉(zhuǎn)支座的影響，因此在進(jìn)行頂升套架的設(shè)計制造時可以借助一些剛度較大的撐桿來替代實體的回轉(zhuǎn)支座，該種方式下所獲得的替代效果與實體回轉(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。中國還有另一種方式就是設(shè)計時將回轉(zhuǎn)支座直接劃歸為實體單元，把它和下部的套架框架構(gòu)成一個混合單元建模進(jìn)行計算，當(dāng)然這種方式的計算比較麻煩，但是最終獲得的結(jié)果較為直觀。如需轉(zhuǎn)載請注明摘自：中國
2. 2 塔身結(jié)構(gòu)剛度和滾輪之間的相互作用
通過上述分析可知，由于塔機頂升作業(yè)時上部結(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)計過程中已經(jīng)充分考慮了套架的剛度，但是對于滾輪下部的接觸點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)計時我們可以將頂升套架結(jié)構(gòu)和塔身相結(jié)合成為一個有機的整體，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，對創(chuàng)建的有限元模型進(jìn)行計算。由于塔身的高度和滾輪的間隙產(chǎn)生變化時也會對塔身的剛度要求產(chǎn)生較大的影響，因此在實際計算時需要經(jīng)過多次反復(fù)計算才能得到準(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)行建模時要注意滾輪的受力情況。由于我們中國知網(wǎng)論文檢測建模時是用桿單元來模擬滾輪進(jìn)行計算的，但是在分析研究過程中發(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，就要將所創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)中承受拉力的滾輪去除，而對于承受壓力的滾輪進(jìn)行保留，再進(jìn)行后續(xù)的計算。然而由于去除了受拉力的滾輪，就會導(dǎo)致原來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進(jìn)行計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導(dǎo)致滾輪單元桿件受力情況的變化，因此在實際的受力計算過程中應(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)確的計算結(jié)果。
3 設(shè)計實例
本文主要以TC6016 塔機作為例子對頂升套架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其設(shè)計過程中主要存在以下幾點問題:
(1)按照標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的大小，對頂升套架鋼結(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(L 指的是液壓有缸頂升兩個行程需要頂升的最低距離)。那么就有L= A + B - C + 30，其中30 指的是兩個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在引進(jìn)時之間的距離，然后可以對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《塔式起重機安全規(guī)程》(GB5144) 中的相關(guān)要求:自升式塔機在加節(jié)作業(yè)時，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)留余量的要求來確定。套架在頂升時，由于需要操作的動作比較多，為了保證設(shè)計尺寸的合理性，可以對頂升的過程進(jìn)行模擬，從而確定最后的尺寸進(jìn)行。
(3)布置導(dǎo)向滾輪。目前國產(chǎn)塔機頂升套架導(dǎo)向滾輪布置的方式主要有單滾輪和雙滾輪兩種。
因為塔機在頂升過程中往往會在其頂部產(chǎn)生不平衡載荷，而所產(chǎn)生中國期刊的載荷全部由套架導(dǎo)向滾輪進(jìn)行承擔(dān)，而雙滾輪因為其在結(jié)構(gòu)上具有的獨特性質(zhì)，能夠保證塔機在兩個方向上的受力都保持一致，所以在塔機上的應(yīng)用較廣泛。單滾輪結(jié)構(gòu)卻不具備這樣的性質(zhì)，因為在頂升作業(yè)時由于滾輪的輪緣和主弦桿之間的間隙過大，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)用在中小型的塔機上。由于設(shè)備根本需求的差異，在實際的設(shè)備建造和設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)充分的考慮設(shè)備的真實需求，從而設(shè)計出能夠滿足實際的施工需求的建筑設(shè)備。
4 結(jié)論
綜上所述，在使用上述方法對塔機頂升套架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，可以確保塔機使用過程中的安全性和穩(wěn)定性，安裝和使用也比較方便，具有一定的參考價值。
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