塔機(jī)抽拉式附著桿的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李加敖，明長(zhǎng)偉，韓 偉，張 琳LI Jia-ao, MING Chang-wei, HAN Wei, ZHANG Lin(.山東中建眾力設(shè)備租賃有限公司，山東 濟(jì)南 500；.河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

塔機(jī)抽拉式附著桿的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李加敖1，明長(zhǎng)偉1，韓 偉2，張 琳2
LI Jia-ao, MING Chang-wei, HAN Wei, ZHANG Lin
(1.山東中建眾力設(shè)備租賃有限公司，山東 濟(jì)南 250022；2.河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

[摘 要]介紹了塔式起重機(jī)目前附著情況，總結(jié)了目前固定式附著桿存在的問題及不足，對(duì)附著內(nèi)力隨附著點(diǎn)及附著角度變化進(jìn)行了分析，并根據(jù)附著桿內(nèi)力設(shè)計(jì)出抽拉式附著桿，彌補(bǔ)了固定式附著桿的不足。

[關(guān)鍵詞]塔式起重機(jī)；抽拉式附著桿；支撐反力

塔機(jī)高于獨(dú)立高度使用時(shí)，必須進(jìn)行附著才能頂升，塔機(jī)附著裝置承擔(dān)著塔機(jī)的扭矩、彎矩、水平剪力，塔機(jī)附著裝置是保證塔機(jī)穩(wěn)定，確保塔機(jī)安全使用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。塔機(jī)附著問題也是每個(gè)租賃公司面臨的一個(gè)普遍性的難題，工程不同，塔機(jī)的附著距離、附著角度亦不同，造成附著桿長(zhǎng)度也不相同；原來(lái)使用的附著桿在新工地不一定能夠使用，為滿足施工需要，勢(shì)必將原有的附著桿改造或者重新加工，這樣不僅造成材料的極大浪費(fèi)，也給租賃公司帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為此，設(shè)計(jì)出可以重復(fù)利用、可以滿足不同長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)化的附著桿具有非常重要的意義；我公司根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)理論計(jì)算，根據(jù)塔機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)出不同類別的抽拉式附著桿，并應(yīng)用于工程中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 附著桿受力力學(xué)模型

多數(shù)塔機(jī)附著裝置為平面內(nèi)3根不交于一點(diǎn)的附著桿形成的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，塔機(jī)附著桿為軸心拉壓桿件，附著桿的內(nèi)力隨附著位置、附著距離、附著角度變化而變化。圖1所示為以永茂ST5513為例建立附著力學(xué)模型。

從附著受力模型可知，附著桿主要承受塔機(jī)彎矩及風(fēng)載荷產(chǎn)生的支撐反力R及回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩T。

圖1 塔機(jī)附著力學(xué)模型

2 塔機(jī)附著支撐反力計(jì)算

附著式塔身按帶懸臂的多跨連續(xù)梁計(jì)算，錨固裝置相當(dāng)于剛性支點(diǎn)，塔機(jī)附著支撐反力與附著數(shù)量、附著高度、自由高度相關(guān)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可按只有最高一道附著裝置計(jì)算，這樣計(jì)算結(jié)果偏于安全。

2.1 工作狀態(tài)下第一道附著時(shí)附著反力計(jì)算

工作狀態(tài)下第一次附著時(shí)的力學(xué)模型如圖2所示。

按一次超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算附著反力

圖2 工作狀態(tài)下第一次附著時(shí)支撐反力力學(xué)模型

式中 R——附著反力；

a——附著點(diǎn)至塔機(jī)基礎(chǔ)頂面距離；

h——塔機(jī)總高度；

q1——塔機(jī)所受風(fēng)線載荷標(biāo)準(zhǔn)值；

M——塔機(jī)自重及吊載產(chǎn)生的彎矩。

在工地現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，因施工及樓房結(jié)構(gòu)原因，經(jīng)常需要提前附著，通常做法是保持自由端高度按說明書要求，而不考慮附著以下高度問題。下面對(duì)在不同高度附著情況產(chǎn)生的附著反力進(jìn)行對(duì)比，如表1所示，繪制成變化曲線如圖3所示。

表1 工作狀態(tài)下在不同高度附著情況產(chǎn)生的附著反力

圖3 工作狀態(tài)下不同高度附著情況產(chǎn)生的附著反力曲線

由附著反力對(duì)比圖可知，自由高度與附著高度之比由1變化至2.4時(shí)，附著反力增加至近2倍。

2.2 非工作狀態(tài)下第一道附著時(shí)附著反力計(jì)算

非工作狀態(tài)下第一道附著的力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 非工作狀態(tài)下第一次附著時(shí)支撐反力力學(xué)模型

式中 Ro—附著反力；

a— 附著點(diǎn)至塔機(jī)基礎(chǔ)頂面距離；

h—塔機(jī)總高度；

q2— 非工作狀態(tài)塔機(jī)所受風(fēng)線載荷標(biāo)準(zhǔn)值；

Mo— 塔機(jī)自重產(chǎn)生的彎矩。

對(duì)不同高度附著情況產(chǎn)生的附著反力進(jìn)行對(duì)比，如表2所示，繪制成變化曲線如圖5所示。

表2 非工作狀態(tài)下在不同高度附著情況產(chǎn)生的附著反力

圖5 非工作狀態(tài)下不同高度附著情況產(chǎn)生的附著反力曲線

由對(duì)比圖可知，自由高度與附著高度之比由1增加至2.4時(shí)，附著反力增加至1.6倍。

2.3 最大高度時(shí)最上一道附著工作狀態(tài)附著反力計(jì)算

最大高度時(shí)工作狀態(tài)附著狀態(tài)下力學(xué)模型如圖6所示。

附著高度111m，自由高度36m，附著反力47.7kN。

2.4 最大高度時(shí)最上一道附著非工作狀態(tài)附著反力計(jì)算

最大高度時(shí)非工作狀態(tài)附著狀態(tài)下力學(xué)模型如圖7所示。

附著高度111m，自由高度36m，附著反力153.5kN。

3 塔機(jī)扭矩計(jì)算

式中 Tmax——啟動(dòng)時(shí)最大扭矩（kNm）;

λ——扭矩增大系數(shù),一般取1.9～2.3；

P——電動(dòng)機(jī)功率（kW）;

η——回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總效率，一般取0.85～0.9；

圖6 最大高度時(shí)塔機(jī)工作狀態(tài)支撐反力力學(xué)模型

圖7 最大高度時(shí)塔機(jī)工作非狀態(tài)支撐反力力學(xué)模型

k—— 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)影響系數(shù)，一般取1.2～1.8;

n—— 塔機(jī)回轉(zhuǎn)速度（r/min）。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得Tmax=222.3kNm。

4 附著桿在各種工況下最大受力計(jì)算

圖8 塔機(jī)附著桿受力模型

求附著桿AD內(nèi)力時(shí)，對(duì)桿BD和桿BC交點(diǎn)B取矩，附著反力R的方向隨起重臂的回轉(zhuǎn)而變化，R方向與OB垂直時(shí)桿AD受力最大，由ΣB=0得

同理求附著桿BD內(nèi)力時(shí)，應(yīng)對(duì)桿AD和桿BC交點(diǎn)O1取矩，由ΣO1=0得

同理求附著桿BC內(nèi)力時(shí)，應(yīng)對(duì)桿AD和桿BD交點(diǎn)D取矩，由ΣD=0得

下面以永茂ST5513 塔機(jī)為例，在塔機(jī)中心離樓面外墻距離4.5m，塔機(jī)自由端高度與附著高度之比控制在1.5 以內(nèi)為例，分析塔機(jī)附著桿內(nèi)力隨附著角度變化趨勢(shì)。通過計(jì)算，繪制出各附著桿內(nèi)力變化圖，如圖9～圖11 所示。

圖9 桿AD內(nèi)力隨附著角度變化圖

圖10 桿BD內(nèi)力隨附著角度變化圖

圖11 桿BC內(nèi)力隨附著角度變化圖

從附著桿受力變化圖可以明顯看出，附著桿內(nèi)力隨附著角度變化非常明顯，桿AD、BD內(nèi)力隨附著角度變大呈弧線變化，附著角度增加到50°桿內(nèi)力逐步遞減到最小值，然后隨著附著角度增加，內(nèi)力又逐步遞增；桿BC內(nèi)力隨附著角度增加而遞減變化。在日常塔機(jī)附著時(shí)，三桿加工為等截面，以便于互換；綜合考慮以上情況，并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際，附著角度以40°～60°為宜；附著桿設(shè)計(jì)內(nèi)力值按300kN考慮，這樣偏于安全。

5 抽拉式附著桿的設(shè)計(jì)

附著桿一端鉸接與塔機(jī)附著框，另一端與附墻預(yù)埋板鉸接，中等長(zhǎng)度的附著桿屬于軸心壓桿。

通常的附著桿按照附著距離加工為固定長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)形式常為型鋼（如方鋼、圓鋼等）實(shí)腹式桿或者以型鋼（如角鋼、槽鋼等）為主肢加工為格構(gòu)式桿。固定式附著桿存在以下缺點(diǎn)：①可調(diào)距離很短（調(diào)節(jié)距離在100mm以內(nèi)），如果附著距離測(cè)量誤差較大，附著桿就無(wú)法安裝；②通用性差，到了新工地，附著距離發(fā)生變化，該附著桿無(wú)法使用。

為解決塔機(jī)附著桿重復(fù)使用及適應(yīng)工地附著距離變化問題，我公司受汽車起重機(jī)起重臂伸縮變化的啟示，設(shè)計(jì)了伸縮式塔機(jī)附著桿（圖12）。下面以5513塔機(jī)為例，設(shè)計(jì)塔機(jī)附著桿。

圖12 抽拉式附著桿結(jié)構(gòu)圖

該塔機(jī)附著桿主桿設(shè)計(jì)為5m，芯桿設(shè)計(jì)為3m，附著桿使用長(zhǎng)度從5.3～7.2m，可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度1.9m，可以滿足一般工地的施工要求。

5.1 附著桿穩(wěn)定性校核

主桿采用□180×10，芯桿采用□140×6，材料為Q235。桿件的截面特性如表3所示。

表3 桿體截面特性表

以附著桿抽拉至最長(zhǎng)7.2m進(jìn)行校核：計(jì)算長(zhǎng)度Lo＝μ2L,根據(jù)主、芯桿慣性矩之比I主/I芯＝3.4，L主/L＝0.69，求得μ2＝1.06，所以Lo＝7.632m。

根據(jù)λ查表得穩(wěn)定系數(shù)φ＝0.494

滿足要求。

5.2 連接銷軸強(qiáng)度校核

連接銷軸采用?36，材料Q235,許用剪切應(yīng)力[τ]=124N/mm2；

滿足要求。

6 抽拉式附著桿的應(yīng)用

我公司按照塔機(jī)型號(hào)并根據(jù)附著桿內(nèi)力成系列的設(shè)計(jì)了抽拉式塔機(jī)附著桿，如QTZ80系列、QTZ160系列、QTZ240系列、QTZ400系列等，基本涵蓋了我公司所有機(jī)型，并在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

抽拉式附著桿具有以下優(yōu)勢(shì)：①可以重復(fù)使用，通用性、互換性強(qiáng)；可以節(jié)約大量的經(jīng)濟(jì)成本；②可調(diào)節(jié)范圍大（調(diào)節(jié)幅度達(dá)到2m），可以適應(yīng)不同工程需要；③安裝效率高，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，可以根據(jù)工程實(shí)際隨意抽拉附著桿以適應(yīng)工程需要，避免了因測(cè)量誤差而重新加工附著桿的弊端。

基于以上優(yōu)勢(shì)，抽拉式附著桿在塔機(jī)的應(yīng)用是大勢(shì)所趨，也與國(guó)家推行綠色、環(huán)保施工相吻合；我公司在塔機(jī)附著系統(tǒng)的探索，為塔機(jī)附著標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化做出了有益的嘗試。

（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號(hào)］TH212;TH213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)05-0068-04

［收稿日期］2015-03-24

Design and application of tower crane pumping and tensile type attachment rod