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塔式起重機頂升套架設計方法的研究論文
塔式起重機(以下簡稱塔機)是工程建設過程中不可缺少的設備之一，其主要功能是完成建設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準節(jié)的頂升加高等工作，從而更好地滿足了建設施工的需要，在當前的工程建設過程中得到了極為廣泛的應用。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中心與頂升油缸中心不重合，而后者則重合。目前在建設工地上使用較多的是側面頂升塔機，其頂升油缸和頂升橫梁都在同一側面，本文主要分析的是側面頂升塔機。中國該型式塔機在實施頂升過程中塔機上下標準節(jié)必須斷開聯(lián)接，上部的塔身僅僅依靠頂升油缸來支撐，由于頂升時回轉中心與油缸中心不重合，假如找平衡不準確或者遇到一些突發(fā)性的事件時都會嚴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構本身的因素。基于以上分析，我們應當在保證工程建設安全的基礎上，對塔機頂升套架的設計進行深入的分析和研究。
1 塔機頂升套架的結構分析
由于頂升套架是塔機在頂升階段的重要受力結構，因此我們在進行頂升套架的結構分析時應當充分考慮影響頂升套架結構重心的所有因素。在實際的頂升作業(yè)過程中，如何調整上部塔身的重心，使上部塔身達到平衡穩(wěn)定是實現(xiàn)安全頂升作業(yè)的關鍵。但是由于此時塔機受到各種載荷(如風載荷等)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翻，甚至會產生塔身的扭轉變形。為了有效的解決這一問題，我們通常在套架和塔身之間設計安裝多個滾輪來進行調整。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生的塔機側翻現(xiàn)象，但是對于中國因拉力作用產生的塔機側翻現(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支座連接在一起，因此上部結構所產生的載荷作用能夠通過回轉支座傳遞到頂升套架上面來。雖然頂升套架的結構剛度較差，但是回轉支座所具有的剛度非常好，把兩個不同剛度的框架式結構連接在一起使用是頂升套架結構的一個主要特性。此外在頂升加高時把塔機標準節(jié)推進來的時候是通過頂升結構的側面完成的。也就是說，在進行頂升套架設計制造時，其中有一個側面必須預留足夠的空間，不允許有任何金屬結構出現(xiàn)，才能滿足頂升時把塔機標準節(jié)引入或推出來，這樣的結構使套架的剛度和抵抗扭轉的能力大大降低。以上這些因素在進行套架設計時必須充分考慮，以確保塔機的安全使用。
2 在進行頂升套架的設計時應當注意的問題
2. 1 套架框架和回轉支座的結構差異造成的剛度差異
由于頂升時套架的上部分和回轉支座連接在一起，套架上部結構的剛度會受到回轉支座的影響，因此在進行頂升套架的設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支座，該種方式下所獲得的替代效果與實體回轉支座相比較誤差并不大，因此得到了廣泛的應用和推廣。中國還有另一種方式就是設計時將回轉支座直接劃歸為實體單元，把它和下部的套架框架構成一個混合單元建模進行計算，當然這種方式的計算比較麻煩，但是最終獲得的結果較為直觀。如需轉載請注明摘自：中國
2. 2 塔身結構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)時上部結構的不平衡，造成其所產生的不平衡力主要由頂升套架與塔身之間的滾輪進行支撐。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確的判斷。在這種情況下，設計時我們可以將頂升套架結構和塔身相結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行定義，對創(chuàng)建的有限元模型進行計算。由于塔身的高度和滾輪的間隙產生變化時也會對塔身的剛度要求產生較大的影響，因此在實際計算時需要經(jīng)過多次反復計算才能得到準確的結果。
2. 3 滾輪的受力情況
在使用有限元分析軟件進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)建的結構中承受拉力的滾輪去除，而對于承受壓力的滾輪進行保留，再進行后續(xù)的計算。然而由于去除了受拉力的滾輪，就會導致原來承受壓力的某些桿件轉為承受拉力的桿件，只有反復去除承受拉力的滾輪來進行計算才能夠獲得較為準確地結果。需要注意的是，由于去除了承受拉力的滾輪會導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當將去除的受力滾輪所受的拉力加以恢復，以獲取較為準確的計算結果。
3 設計實例
本文主要以TC6016 塔機作為例子對頂升套架的結構進行分析，其設計過程中主要存在以下幾點問題:
(1)按照標準節(jié)的大小，對頂升套架鋼結構主弦桿中心距離進行確定。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行確定。按照中國知網(wǎng)論文標準節(jié)的高度A、標準節(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，將標準節(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 指的是兩個標準節(jié)在引進時之間的距離，然后可以對液壓油缸的最低行程Hmin進行確定。
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，塔身上端面至少應比頂升套架上排導向滾輪中心線高60mm。因此上層導向滾輪橫向布置的極限位置需要根據(jù)L 和預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，為了保證設計尺寸的合理性，可以對頂升的過程進行模擬，從而確定最后的尺寸進行。
(3)布置導向滾輪。目前國產塔機頂升套架導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生不平衡載荷，而所產生中國期刊的載荷全部由套架導向滾輪進行承擔，而雙滾輪因為其在結構上具有的獨特性質，能夠保證塔機在兩個方向上的受力都保持一致，所以在塔機上的應用較廣泛。單滾輪結構卻不具備這樣的性質，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，容易產生導向失效或者啃軌現(xiàn)象。因此單滾輪結構一般應用在中小型的塔機上。由于設備根本需求的差異，在實際的設備建造和設計過程中應當充分的考慮設備的真實需求，從而設計出能夠滿足實際的施工需求的建筑設備。
4 結論
綜上所述，在使用上述方法對塔機頂升套架的結構進行設計時，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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