一種帶有液壓抓斗的塔式起重機設計研究

黃李誠 （安徽建筑機械有限責任公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

目前，塔式起重機（以下簡稱塔機）主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構件的安裝。其優點是有效吊運空間范圍大；其缺點是通常只能進行簡單的吊運功能，若要實施其他功能，如清理河閘攔污柵上的漂浮物等，則需要配合挖掘機等專門的設備來實現有效的清理和搬運工作，不僅工序繁復，而且浪費人力物力。為完善現有產品性能的不足，公司設計制造了一種帶有液壓抓斗的塔機，借助塔機自身的特點實現抓斗的水平和豎直方向的運動。通過液壓油缸的活塞桿伸縮實現抓斗的閉合和張開。整機運用無線遙控技術，站在地面手持無線遙控操作臺，即可實現起升、回轉、變幅和液壓抓斗的張開、閉合動作。

2 設計思路

雖然此類型塔機用于水利清污，但主要結構仍參考正常的塔機結構。考慮到塔機使用時間為汛期和日常不定期水面漂浮物清理，確定各機構使用級別為：起升機構為M1，變幅機構為M1，回轉機構為M2，塔機額定起重力矩為31.5t·m。

2.1 基礎形式

采用預埋螺栓混凝土基礎，通過塔機整機計算確定基礎預埋外形尺寸為2.8m×2.8m，高度為1m；預埋螺栓規格為M30，共8根，預埋基礎混凝土強度至少達到C35；基礎頂面傾斜度、平面度小于等于千分之一，且高于地面100mm。若基礎安裝在河閘橋墩中，則基礎規格和安裝方式需按實際情況定制。

2.2 塔身結構

塔身借用公司QTZ5010塔機標準節結構形式，采用角鋼作為主弦桿整體拼焊而成，將塔身與下支座連為一個整體，塔身整體高度近7m。下支座與上支座通過回轉支承連接，回轉支承型號為QW.900.25，上支座上部設置兩個平臺，用于塔機的安拆和維修。上支座上方連接一個過渡節，采用方管作為主弦桿拼焊而成，腹桿采用雙人字結構，確保結構穩定。

2.3 臂架與起重臂

根據實際使用需要，為提高塔機實用性，塔機上部結構采用平頭形式，通過在過渡節上方設置臂架連接起重臂和平衡臂。根據實際需要起重臂長度確定為10m，平衡臂長度為4.2m，平衡臂后方安裝兩塊平衡重，總重1.45t。

2.4 安全裝置

塔機雖整體結構較小，但仍需按國家安全規范要求設置起重量限制器、起重力矩限制器、限位器等安全裝置。

2.5 電氣系統

整機專配無線遙控技術，即塔機上支座未設置司機室，操作人員站在地面手持無線遙控操作臺，可實現塔機的起升、回轉、變幅運動和液壓抓斗的張開、閉合動作。

3 關鍵結構設計

3.1 液壓抓斗設計

通過實際使用環境了解，此塔機需用于河閘攔污柵周圍水面水草、漂浮垃圾的清除。因此，需要特制抓斗用于水草、垃圾的清除。通過調研并借鑒河閘上常用的清污設備，設計一種液壓抓斗完成此功能。

液壓抓斗需具備塔機吊鉤部分功能，即在抓斗上部設置一排滑輪，滑輪排列與傳統塔機吊鉤相同。平衡臂上安裝的起升機構鋼絲繩通過變幅小車滑輪過渡后穿繞至抓斗上部滑輪，液壓抓斗隨起升機構的動作上下移動。

參考工程抓斗結構形式，確定采用貝形抓斗形式，在兩瓣抓板側面安裝液壓油缸控制抓斗動作。考慮到抓斗需降落至水中作業，在抓斗側面設有排水孔，以減少水面浮力。因抓斗抓取水草或漂浮垃圾都較為軟散，特在抓板底部設置鋸齒邊，方便抓斗抓取漂浮物。

在抓斗結構頂板位置開孔，油管通過孔洞與液壓油缸連接，考慮到抓斗長時間使用后油管與液壓油缸接頭因拉拽產生松動，特在頂板上方設置油管固定架，將一小段與液壓油缸連接的管路固定，可解決油管接頭松動問題。

通過以上方案，設計抓斗結構如圖1所示。

圖1 液壓抓斗結構示意圖

3.2 油管管路設計

通過以上方案確定了抓斗結構和操縱形式，因正常建筑施工塔機只在頂升系統中使用液壓設備，設備位置明確，液壓油管無需特殊固定。由上述抓斗可見，需特別設計液壓油管的布置方式，對設計提出了新的要求：①液壓油箱布置在上下支座附近或地面，考慮到工作人員操作和檢修的便利性，確定將液壓油箱布置在地面并與駕駛室放置在一起，方便工作人員操作和檢修。②液壓油管需隨變幅小車的運動前后移動，需設計特殊結構固定并使油管隨變幅小車運動。③需改變起重臂上弦桿結構，使油管可沿上弦桿移動。

針對以上擬解決關鍵問題，塔機結構設計思路如下：

仍使用常規結構變幅小車，使變幅小車在起重臂下弦桿上移動，考慮到起升鋼絲繩由變幅小車穿繞至抓斗，抓斗上液壓油缸使用油管亦連接至變幅小車。此時需在變幅小車下方設置油管過輪，并保證變幅小車結構與油管無干涉。

在變幅小車上方設置一個平臺，平臺內設置油管卷筒，油管卷筒的作用是：從外部接入油管，然后將液壓油接入卷筒內纏繞的油管中，卷筒上的油管通過變幅小車過輪向下與抓斗上液壓油缸連接。當抓斗向下運動時，油管通過重力繞卷筒向下移動，當抓斗上升時，油管通過卷筒內設置的彈簧纏繞在卷筒上。通過設置油管卷筒，解決了油管上下移動的問題。

通過上述設計，已解決油管上下移動問題，現需解決油管水平移動問題。公司技術人員創造性地借鑒機床上常用的電纜拖鏈裝置，將油管設置在拖鏈之中，拖鏈可牽引油管轉動和水平移動。

塔機起重臂上弦桿常用的是圓管或者方管，但拖鏈無法有效固定在上述型鋼之上，針對此問題，選用槽鋼作為起重臂上弦桿，通過槽鋼槽口作為拖鏈軌道，可有效解決上述問題。

圖2 現場拖鏈布置圖

最終在保持變幅小車原有特性的同時，在變幅小車正上方增加平臺，平臺上設置油管卷筒。另選用槽鋼作為起重臂上弦桿，采用拖鏈固定和牽引油管。通過以上一系列創新設計，解決了油管的固定和移動問題，取得了很好的實際效果，另外在塔身及過渡節結構上增加過輪，將油管牽引至地面，達到預定目標。油路設計圖如圖3。

圖3 油路示意圖

通過以上所述關鍵設計，可滿足塔機清除河閘攔污柵周圍水面水草、漂浮垃圾的實際使用需求。總結來說，通過設置自動復位油管卷筒實現液壓抓斗的液壓油管及時隨著液壓抓斗自動上下移動，同時避免較長的液壓輸油管耷拉和與牽引繩的纏絞，從而實現對液壓油缸提供有效的動力源，使用起來更加安全；通過設置油管拖鏈和上弦桿結構，滿足液壓油管的水平移動需求。整個結構設計合理，具備簡單、新穎，便于安裝、檢修等特點。

4 結語

從國內塔機使用情況來看，絕大多數塔機用在建筑施工中，主要用于建筑工地施工材料的吊裝。我公司設計制造的此類帶有液壓抓斗的塔式起重機（圖4所示），整機充分利用塔機自身的特點，即通過塔機起升、回轉、變幅運動實現抓斗水平和垂直方向運動；通過液壓油缸的活塞桿伸縮實現抓斗的閉合和張開，從而達到清理河閘攔污柵處漂浮物的目的。此項設計涉足了水下作業，擴大了塔機的用途，具有較好的市場前景。

圖4 塔機整體結構圖