塔機抽拉式附著桿的設(shè)計與應(yīng)用

李加敖，明長偉，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)

塔機抽拉式附著桿的設(shè)計與應(yīng)用

李加敖1，明長偉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，對附著內(nèi)力隨附著點及附著角度變化進(jìn)行了分析，并根據(jù)附著桿內(nèi)力設(shè)計出抽拉式附著桿，彌補了固定式附著桿的不足。

[關(guān)鍵詞]塔式起重機；抽拉式附著桿；支撐反力

塔機高于獨立高度使用時，必須進(jìn)行附著才能頂升，塔機附著裝置承擔(dān)著塔機的扭矩、彎矩、水平剪力，塔機附著裝置是保證塔機穩(wěn)定，確保塔機安全使用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。塔機附著問題也是每個租賃公司面臨的一個普遍性的難題，工程不同，塔機的附著距離、附著角度亦不同，造成附著桿長度也不相同；原來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，也給租賃公司帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為此，設(shè)計出可以重復(fù)利用、可以滿足不同長度的標(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，并經(jīng)理論計算，根據(jù)塔機型號設(shè)計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)塔機附著裝置為平面內(nèi)3根不交于一點的附著桿形成的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，塔機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 塔機附著力學(xué)模型

2 塔機附著支撐反力計算

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

2.1 工作狀態(tài)下第一道附著時附著反力計算

工作狀態(tài)下第一次附著時的力學(xué)模型如圖2所示。

按一次超靜定結(jié)構(gòu)計算附著反力

圖2 工作狀態(tài)下第一次附著時支撐反力力學(xué)模型

式中 R——附著反力；

a——附著點至塔機基礎(chǔ)頂面距離；

h——塔機總高度；

q1——塔機所受風(fēng)線載荷標(biāo)準(zhǔn)值；

M——塔機自重及吊載產(chǎn)生的彎矩。

在工地現(xiàn)場施工時，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。下面對在不同高度附著情況產(chǎn)生的附著反力進(jìn)行對比，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

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

2.2 非工作狀態(tài)下第一道附著時附著反力計算

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)下第一次附著時支撐反力力學(xué)模型

式中 Ro—附著反力；

a— 附著點至塔機基礎(chǔ)頂面距離；

h—塔機總高度；

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

Mo— 塔機自重產(chǎn)生的彎矩。

對不同高度附著情況產(chǎn)生的附著反力進(jìn)行對比，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

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

2.3 最大高度時最上一道附著工作狀態(tài)附著反力計算

最大高度時工作狀態(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 最大高度時最上一道附著非工作狀態(tài)附著反力計算

最大高度時非工作狀態(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 塔機扭矩計算

式中 Tmax——啟動時最大扭矩（kNm）;

λ——扭矩增大系數(shù),一般取1.9～2.3；

P——電動機功率（kW）;

η——回轉(zhuǎn)機構(gòu)總效率，一般取0.85～0.9；

圖6 最大高度時塔機工作狀態(tài)支撐反力力學(xué)模型

圖7 最大高度時塔機工作非狀態(tài)支撐反力力學(xué)模型

k—— 電動機啟動影響系數(shù)，一般取1.2～1.8;

n—— 塔機回轉(zhuǎn)速度（r/min）。

代入數(shù)據(jù)計算可得Tmax=222.3kNm。

4 附著桿在各種工況下最大受力計算

圖8 塔機附著桿受力模型

求附著桿AD內(nèi)力時，對桿BD和桿BC交點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垂直時桿AD受力最大，由ΣB=0得

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

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

下面以永茂ST5513 塔機為例，在塔機中心離樓面外墻距離4.5m，塔機自由端高度與附著高度之比控制在1.5 以內(nèi)為例，分析塔機附著桿內(nèi)力隨附著角度變化趨勢。通過計算，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。在日常塔機附著時，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)場施工實際，附著角度以40°～60°為宜；附著桿設(shè)計內(nèi)力值按300kN考慮，這樣偏于安全。

5 抽拉式附著桿的設(shè)計

附著桿一端鉸接與塔機附著框，另一端與附墻預(yù)埋板鉸接，中等長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度，結(jié)構(gòu)形式常為型鋼（如方鋼、圓鋼等）實腹式桿或者以型鋼（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：①可調(diào)距離很短（調(diào)節(jié)距離在100mm以內(nèi)），如果附著距離測量誤差較大，附著桿就無法安裝；②通用性差，到了新工地，附著距離發(fā)生變化，該附著桿無法使用。

為解決塔機附著桿重復(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起重臂伸縮變化的啟示，設(shè)計了伸縮式塔機附著桿（圖12）。下面以5513塔機為例，設(shè)計塔機附著桿。

圖12 抽拉式附著桿結(jié)構(gòu)圖

該塔機附著桿主桿設(shè)計為5m，芯桿設(shè)計為3m，附著桿使用長度從5.3～7.2m，可調(diào)節(jié)長度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7.2m進(jìn)行校核：計算長度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

我公司按照塔機型號并根據(jù)附著桿內(nèi)力成系列的設(shè)計了抽拉式塔機附著桿，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型，并在工程實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：①可以重復(fù)使用，通用性、互換性強；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)場安裝時，可以根據(jù)工程實際隨意抽拉附著桿以適應(yīng)工程需要，避免了因測量誤差而重新加工附著桿的弊端。

基于以上優(yōu)勢，抽拉式附著桿在塔機的應(yīng)用是大勢所趨，也與國家推行綠色、環(huán)保施工相吻合；我公司在塔機附著系統(tǒng)的探索，為塔機附著標(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］TH212;TH213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0068-04

［收稿日期］2015-03-24

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