塔機(jī)單液壓缸爬升系統(tǒng)可靠就位技術(shù)研究

李 斌，鄭柱歡

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

目前，在高層、超高層建筑施工中，內(nèi)爬、外掛式支撐的塔式起重機(jī)被廣泛應(yīng)用。一般情況下，采用爬帶式爬升液壓頂升系統(tǒng)有單液壓缸驅(qū)動(dòng)，也有采用雙液壓缸驅(qū)動(dòng)。采用雙液壓缸驅(qū)動(dòng)可以獲得較大的頂升力，常用于大型塔機(jī)爬升系統(tǒng)，但控制系統(tǒng)要確保雙液壓缸同步伸縮，在很多時(shí)候也具有一定的困難。采用單液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易控制，但爬升橫梁在液壓缸縮回過(guò)程中容易發(fā)生擺動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，容易造成爬爪脫離爬帶軌道或爬升橫梁偏斜，兩端爬爪不能同時(shí)踏到踏步踏面上，影響爬升的安全可靠性，需要人工進(jìn)行輔助作業(yè)。另外，在液壓缸全部縮回或全部伸出時(shí)，要保證相關(guān)支撐爬爪能夠從抵住的爬帶踏步或支撐框架踏步上復(fù)位，使其踏面正好位于所對(duì)應(yīng)踏步的踏面正上方。在液壓缸縮回或伸出時(shí)，相關(guān)爬爪能夠在消耗空余行程后，爬爪踏面壓到踏步踏面上，使塔機(jī)得到可靠的支撐。

本文研究一種具有防止爬升橫梁擺動(dòng)與旋轉(zhuǎn)的塔機(jī)單液壓缸爬升系統(tǒng)，分析了影響液壓缸空余行程的因素，研究了確定液壓缸空余行程的計(jì)算方法?？梢源_保所有爬爪都能夠可靠地在相應(yīng)踏步上就位。這一技術(shù)的應(yīng)用可以免除人工輔助作業(yè)。

1 爬升系統(tǒng)的組成

圖1是1種塔機(jī)外掛爬升的支撐系統(tǒng)，主要組成有支撐結(jié)構(gòu)1、爬升節(jié)2、爬帶3和支撐框架4。支撐框架安裝在支撐結(jié)構(gòu)上，2組爬帶安裝在上部支撐框架上。塔機(jī)工作時(shí)需要2組支撐結(jié)構(gòu)支撐塔機(jī)，爬升時(shí)還需要另1套用于導(dǎo)步的支撐結(jié)構(gòu)。2套支撐結(jié)構(gòu)之間的距離可以根據(jù)施工對(duì)象實(shí)際情況來(lái)確定，一般為11～18m。

爬升節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由頂升液壓缸1、同步伸縮桿2、導(dǎo)繩滑輪3、導(dǎo)行套管4、支撐主梁5、同步鋼絲繩6、爬升橫梁7、下部支撐爬爪8和上部支撐爬爪9等組成。頂升液壓缸由活塞桿伸出端法蘭固定在支撐主梁的中部下表面，活塞桿端連接到爬升橫梁的中部。同步伸縮桿穿過(guò)導(dǎo)行套管使其一端與爬升橫梁的側(cè)耳板相連，同步伸縮桿的上部裝有兩同步鋼絲繩固定架板，兩同步鋼絲繩分別經(jīng)過(guò)導(dǎo)繩滑輪，穿過(guò)支撐主梁固定到爬升橫梁兩側(cè)的鎖繩耳板上。上部支撐爬爪安裝在爬升節(jié)中部，與安裝在爬升橫梁上的爬爪及爬帶踏步都位于爬升節(jié)的兩側(cè)中間軸線上。下部4個(gè)支撐爬爪均安裝在爬升節(jié)主肢的底部，在塔機(jī)工作時(shí)支撐在支撐框架上。所有爬爪外伸部分在外力作用下均可以向下擺動(dòng)，在外部作用解除時(shí)，可以依靠自重自行復(fù)位。上部支撐爬爪踏面到下部支撐爬爪踏面的垂直距離與爬帶上設(shè)定的踏步間距相等，都正好等于一個(gè)設(shè)定爬升間距，也就是液壓缸一次頂升所能產(chǎn)生的有效行程。爬帶上的踏步間距除了有設(shè)定的爬升間距外，還有踏步調(diào)整間距，在支撐結(jié)構(gòu)間距不是設(shè)定爬升間距的整數(shù)倍時(shí)對(duì)爬升行程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

爬升橫梁結(jié)構(gòu)如圖3所示，爬升橫梁是整個(gè)塔機(jī)在頂升過(guò)程中的支撐結(jié)構(gòu)，主要組成有主梁體、兩端部爬爪、中部與液壓缸活塞桿連接用的鉸軸孔、中部側(cè)面與同步伸縮桿連接的側(cè)耳板和兩側(cè)上部與同步鋼絲繩相連的鎖繩耳板。

圖1 爬升系統(tǒng)示意圖

圖2 爬升節(jié)結(jié)構(gòu)圖

圖3 爬升橫梁結(jié)構(gòu)圖

2 工作原理

2.1 爬升工作原理

如圖4所示的爬升系統(tǒng)，正常狀態(tài)下，爬升橫梁兩端的爬爪與爬升節(jié)下部的4個(gè)支撐爬爪一樣都是支撐在支撐框架的踏步上。塔機(jī)開始爬升時(shí)液壓缸活塞桿外伸，由于爬升橫梁支撐在支撐框架踏步上不動(dòng)，使液壓缸反向推動(dòng)爬升節(jié)帶動(dòng)塔機(jī)整體向上運(yùn)動(dòng)，在爬升節(jié)上部支撐爬爪到達(dá)爬帶踏步的上部并能夠踏上爬帶踏步踏面時(shí)，液壓缸活塞桿開始縮回，先使塔機(jī)整體小量下降使上部支撐爬爪踏到爬帶踏步踏面上，然后活塞桿繼續(xù)縮回，帶動(dòng)爬升橫梁向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)爬升橫梁兩端的爬爪踏入爬帶上一級(jí)踏步時(shí)，液壓缸也應(yīng)該縮回到了極限位置，這時(shí)爬升系統(tǒng)就進(jìn)入到頂升的正常狀態(tài)，液壓缸每次頂升都能夠使塔機(jī)爬升1個(gè)完整的設(shè)定爬升間距。在塔機(jī)爬升到上一級(jí)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，爬升節(jié)下部的4個(gè)支撐爬爪能夠正好支撐到支撐框架的踏步上，而且液壓缸活塞桿縮回后也能使爬升橫梁兩端的爬爪支撐到支撐框架的踏步上。

圖4 爬升工作原理圖

圖5 防止爬升橫梁旋擺原理圖

2.2 爬升橫梁防旋擺原理

圖5是防止爬升橫梁旋擺的原理圖，同步伸縮桿的下端固定在爬升橫梁中部的一側(cè)，這樣就保證了爬升橫梁在同步伸縮桿的制約下不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只能保持在豎直方向上運(yùn)動(dòng)。同步鋼絲繩是2根長(zhǎng)度相等的定長(zhǎng)鋼絲繩，將2根鋼絲繩的一端分別固定在同步伸縮桿上部?jī)蓚?cè)的鋼絲繩固定架板上，并分別經(jīng)過(guò)導(dǎo)繩滑輪，穿過(guò)支撐主梁上的鋼絲繩通行孔后固定到爬升橫梁兩側(cè)上部的鎖繩耳板上。2根鋼絲繩屬于對(duì)稱布置，且處于相互平行狀態(tài)。由于同步伸縮桿的一端固定在爬升橫梁上，在液壓缸工作過(guò)程中，兩鋼絲繩的相對(duì)長(zhǎng)度保持不變，這樣就保證了上部?jī)射摻z繩固定點(diǎn)相對(duì)爬升橫梁的位置保持不變，保證了爬升橫梁不會(huì)發(fā)生擺動(dòng)。由于爬升橫梁在液壓缸工作過(guò)程中即不能旋轉(zhuǎn)，也不能擺動(dòng)，保證了爬升橫梁兩端的爬爪能夠在爬帶中心同步向上運(yùn)行，就保證了爬升橫梁兩端的爬爪能夠同時(shí)準(zhǔn)確踏到爬帶的踏步上。

3 爬爪及支撐體系的研究

爬爪是塔機(jī)爬升過(guò)程中重要的運(yùn)動(dòng)及支撐部件。爬爪的形狀及受力點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系直接影響爬爪的受力狀態(tài)和相應(yīng)支撐點(diǎn)的受力狀態(tài)。爬爪與其母體結(jié)構(gòu)間用鉸接銷軸連接，鉸接銷軸的位置對(duì)爬爪的運(yùn)動(dòng)軌跡和液壓缸的有效行程具有直接影響。

爬爪在承載狀態(tài)下都呈現(xiàn)三支點(diǎn)受力狀態(tài)，爬爪本身受到彎剪聯(lián)合作用，其強(qiáng)度可以用已知強(qiáng)度理論進(jìn)行分析。爬爪鉸接銷軸的位置設(shè)計(jì)需要進(jìn)行研究分析，位置確定要滿足以下要求。

（1）與結(jié)構(gòu)母體及支撐結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，保證爬爪所需的運(yùn)動(dòng)空域，使其不與相關(guān)支撐構(gòu)件發(fā)生干涉；

（2）爬爪工作時(shí)能夠依靠自重自行復(fù)位；

（3）盡可能減少爬升過(guò)程中所產(chǎn)生的空余行程，以提高液壓缸行程的利用率。

圖6是爬爪抵上爬帶踏步后從踏步內(nèi)側(cè)向上旋出復(fù)位形態(tài)關(guān)系圖，O為坐標(biāo)系原點(diǎn)，G（m，n）是爬爪旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，A是爬爪頭部尖點(diǎn)，待其完全擺出復(fù)位后該點(diǎn)坐標(biāo)為（a，b），爬爪的旋出運(yùn)動(dòng)是以G為圓心的軌跡圓。爬爪踏面到爬帶踏步踏面的距離H是爬升的空余行程，其表達(dá)式為

式中 c——爬帶踏步到原點(diǎn)O的水平距離；

d——爬爪槽深；

e——富余行程。

圖6 爬爪復(fù)位形態(tài)關(guān)系圖

在設(shè)計(jì)上，空余行程是爬爪復(fù)位的必要行程，也是爬升過(guò)程得以實(shí)施的重要保證。根據(jù)式（1）空余行程H的表達(dá)式，結(jié)合某塔機(jī)爬升節(jié)的相關(guān)參數(shù)a=230mm，b=220mm，c=165mm，d=5mm，e=5mm，應(yīng)用Matlab繪制空余行程H的變化曲面如圖7所示。

圖7 空余行程H與爬爪旋轉(zhuǎn)中心位置關(guān)系曲面

根據(jù)圖7曲面分析可知：空余行程H與爬爪旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)G（m，n）密切相關(guān)，H隨著m、n的增大而增大。

前面分析的是爬爪旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)位置相對(duì)爬帶踏步空余行程關(guān)系的研究，在支撐框架頂部同樣有與爬帶相同的踏步，如圖8所示。這一踏步與爬爪的位置關(guān)系和爬帶上踏步相同，支撐框架頂部在爬爪一側(cè)的上部邊緣線對(duì)爬升過(guò)程的空余行程也會(huì)產(chǎn)生影響。爬爪旋轉(zhuǎn)中心到支撐框架上部邊緣線的距離小于到踏步上部邊緣線的距離時(shí)，則支撐框架上部邊緣線將決定爬升過(guò)程的空余行程，也就是所產(chǎn)生的空余行程比爬帶產(chǎn)生的要大。爬爪旋轉(zhuǎn)中心到支撐框架上部邊緣線的距離大于到踏步上部邊緣的距離時(shí)，則支撐框架對(duì)爬升空余行程沒(méi)有影響。

圖8 爬爪與支撐框架位置關(guān)系圖

在設(shè)計(jì)中支撐框架的寬度和高度都影響其上部邊緣線到爬爪旋轉(zhuǎn)中心的距離。高度和寬度越大，梁的強(qiáng)度越大，但產(chǎn)生的空余行程也越大。所以最好的辦法是讓爬爪旋轉(zhuǎn)中心到支撐框架上部邊緣線的距離與到其踏步上部邊緣線的距離相等，這樣既可以使支撐框架充分利用空間，不會(huì)因支撐框架梁的寬度產(chǎn)生附加的空余行程。這為支撐框架的寬度和高度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所研究的單液壓缸驅(qū)動(dòng)的爬升系統(tǒng)能夠克服單液壓缸爬升節(jié)的爬升橫梁在工作時(shí)可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)的問(wèn)題，保證了爬升橫梁在提升運(yùn)動(dòng)中不會(huì)發(fā)生擺動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，不需要人工進(jìn)行輔助作業(yè)，有效減小塔機(jī)爬升過(guò)程中工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)研究了爬爪支撐參數(shù)對(duì)爬升空余行程的影響，給出了支撐框架相對(duì)其爬爪踏步的邊緣位置確定方法，所研究的技術(shù)提高了單液壓缸爬升系統(tǒng)在工作過(guò)程中爬爪自動(dòng)就位的可靠性。