22米ZLG折塔螺桿樁機塔架的設計

摘 要 22米ZLG折塔螺桿樁機作為一種新型鉆機，它具有450 kN·m大扭矩動力頭，獨立行走的履帶底盤，以及便于裝卸和運輸的折塔結構。該鉆機在大口徑長螺旋CFG樁、螺桿樁、擠土樁等領域已經得到了廣泛的應用，大扭矩動力頭是鉆機的核心部件，為此需要制作一個滿足此動力要求的塔架，這就要考慮塔架的剛度和強度，并要合理的設計其結構，使其能滿足450 kN·m大扭矩動力頭，又能滿足起落塔和運輸折塔的要求。

關鍵詞 折塔；塔架；剛度；強度；設計

中圖分類號：TU6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0107-03

1 背景

在建筑樁基礎施工設備中，樁機的塔架是用來保障動力頭裝置帶動鉆具豎直向下鉆進和豎直向上提升，滿足鉆孔成樁，保證樁垂直度設計要求的關鍵部分。根據樁機施工孔深的要求，塔可分為兩種：一種是樁孔深度大于22米的塔架，多采用螺栓聯接可拆型。這種塔架單獨運輸，拆卸和安裝費時費力，起落塔方式采用卷揚機拉動，A字架輔助。另一種是樁孔深度不大于22米的塔架，多采用折疊式組合，利用油缸完成折疊和起落架。這種塔架安裝和拆卸簡單易行省時省力，搬運采用與主機整體運輸，主輔卷揚機鋼絲繩可以不用收回，固定在塔架上，減少了下一次安裝的輔助時間。22米ZLG折塔螺桿樁機鉆孔最大深度為22米，動力頭輸出轉矩為450 kN·m，是用來完成螺桿樁、擠土樁和大徑硬巖樁的施工，要求與動力頭配套的塔架有足夠的剛度和強度，有必要對塔架進行設計計算。

2 塔架的設計

2.1 塔架的外形設計

根據塔架運輸要求和折疊結構方式，塔架主骨架采用矩形截面結構，截面外形長寬比值在1.3～1.4之間，塔架整體外形的結構如圖1所示。

1.3 米塔；2.起塔油缸；3.17.5 米塔；

4.額頭；5.7.5 米塔；6.斜支桿

圖1 塔架的外形圖

2.2 塔架的抗扭校核

1）動力頭的最大扭矩為Tmax=450×1.25=562.5（kN·m），假設動力頭的扭轉力全部傳遞至塔架主骨架上。

2）塔架高度H=28 m。

3）為了滿足塔架的強度要求，選用強度較高的BS700鋼材料，σS=700 MPa。

4）矩形截面主骨架采用板材折彎組焊而成，參照大噸位吊臂截面尺寸。板料的厚度取8 mm～14 mm。

5）塔架主骨架截面如圖2所示，a、b為截面中線長和寬，初步定a=1.35b，δ=10 mm。

圖2 截面外形圖

其最大扭轉切應力τmax= （1）

式中：ω—截面中線所圍面積，ω=a·b；δ—截面壁厚；Tmax—動力頭的扭矩，Tmax=562.5（kN·m）。

BS700材料的許用切應力[τ]= （2）

式中：—BS700材料的屈服強度，=700（MPa）；由文獻[3]中的表19-2-12查出基本安全系數=1.2～1.5；由文獻[3]中的表19-2-13查出系數A=0.5～0.7；由文獻[3]中的表19-2-14查出折減系數K=1～1.1。

扭轉強度條件為τmax≤[τ] （3）

由式（1）、（2）、（3）可以得b≥313.5（mm）。

6）扭轉剛度條件為ψmax=≤[ψ] （4）

式中：ψmax—單位桿長相對扭轉角；ω—截面中線所圍面積，ω=a·b；S—截面中線長度，S=2·（a+b）；δ—截面壁厚，δ=10 mm；Tmax—動力頭的扭矩，Tmax=562.5（kN·m）；G—剪切模量，G=80（GPa）；[ψ]—許用扭轉角，一般取[ψ]=（0.25～0.5）（°/m）。

由式（4）得b≥470.1（mm）。

7）根據廠家的生產能力和材料利用率，選擇480×650×10的矩形方管，則有d=650 mm；c=480 mm；δ=10 mm。

8）塔架扭轉切應力圖見圖3，最大扭轉切應力出現在塔側壁的中間位置，在塔對稱側壁中心位置間增焊了7.0角鋼，每隔1.2 m放置一個，用來增加塔的抗扭強度和剛度。

圖3 截面應力圖

3 方塔聯接處的設計與校核

3.1 定位銷的設計與校核

為了保證設計具有一定安全系數，假設動力頭的扭矩全部傳遞給塔架中心，給塔架產生的扭矩Tmax=562.5 kN·m，在塔架的法蘭聯接處為了保證塔架的剛度和強度，設計時添加定位銷，防止扭轉在法蘭間有相對位移。此外由聯接螺栓預緊力在法蘭處產生摩擦力，也能夠降低塔架帶來的扭矩，降低定位銷所受應力。

L1=L3=357.1 mm L2=L4=272.9 mm

圖4 法蘭處定位銷的位置分布

法蘭聯接處定位銷的位置如圖4，計算出定位銷所受剪力，。由于法蘭處位置有限，初設定位銷直徑d=40 mm。

剪應力強度條件： （5）

式中：Q—構件所受剪力；A—剪切面面積，A=；—許用剪應力，≈（0.6～0.8）。

由式（5）得，F1，F3處τ1=313.53 MPa，F2，F4處τ2=410.27 MPa，考慮到塔架折疊處的定位銷，在塔架閉合過程中，由于多種原因，法蘭與定位銷可能發生一定的摩擦與沖擊，所以定位銷在滿足剪應力的同時，要有一定的疲勞強度和耐磨性，故選用42CrMo，=542.5 MPa，滿足強度條件。

3.2 法蘭接合面出摩擦力產生的扭矩計算

圖1中，每節塔架聯接處采用高強度螺栓聯接，塔架采用強度為σs=700 MPa的板材，故選用的螺栓強度要高于700 MPa，選用10.9級高強度螺栓。endprint

圖5 摩擦力在接合面產生的扭矩

以法蘭為受力分析對象，螺栓預緊后在接合面間產生的摩擦力來傳遞扭矩，見圖5。摩擦力產生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—預緊力產生的摩擦力；—螺栓孔中心到法蘭中心的距離；μ—接合面摩擦系數，μ=0.13；Q—10.9級螺栓預緊力，Q=205000 N。

計算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的計算

1）起塔油缸缸徑為D=φ200 mm油缸，查文獻[5]中的表21-6-36得與之匹配的桿徑為d=φ110 mm，工作壓力P=25（MPa），工作時為兩個油缸同時支起塔，有如下公式：。

2）如圖6所示為起塔初始狀態，在整個起塔過程中，起塔力F=，重力G始終不變，H1在-11.4°≤α≤0°之間增加，在0°≤α≤90°之間減小，H2在整個過程中始終減小。當α=31°時，起塔力最大，F=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔壓力Pmax==18.32（MPa）；α=90°時為最大落塔力，Fmax1=386731.4（N），落塔時油缸的壓力Pmax1==8.82（MPa）。

圖6 起塔最初狀態

5 彎曲強度校核

塔架整體受力過程中，分析出塔架在起塔狀態（見圖7）時，所受彎矩最大，故在此狀態對塔架進行彎曲強度校核。圖8為起塔狀態塔架受力分析簡圖。

圖7 起塔狀態圖

由之前的說明可知，圖8狀態下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根據設計圖紙匯總，計算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支桿，提升橫梁和鋼絲繩的重量）；運用Solidworks強大的計算功能，得出塔架的水平方向重心為l=12185 mm。

圖8 起塔狀態受力分析簡圖

以A為原點，列出彎矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A點、N點、G點彎矩分別為MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，彎矩圖見圖9。

圖9 起塔狀態下的彎矩圖

由圖可知N點，即油缸鉸接支承處所受彎矩最大。

一般情況下，彎矩最大處的截面上所受的正應力最大。

截面上彎曲正應力公式： （8）

式中：-彎曲正應力；M—截面上的彎矩；Wt-抗彎截面系數。

Y軸抗彎截面系數公式： （9）

式中：Wt-抗彎截面系數；Iy-橫截面對y軸的慣性矩；-重心到截面的最遠距離。

選取16Mn熱軋鋼板作為塔架焊接用板材進行校核，，N點處截面含有與油缸聯接的油缸套，能夠增強N點的抗彎強度，而N點周圍的大部分截面并沒有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作為危險截面（見圖10）進行校核。

圖10 N點附近截面圖

利用Solidworks的計算功能，設定o為原點，求出截面的重心坐標A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根據式（8），式（9）計算出88.52 MPa。

基本許用應力計算公式：

式中：—基本許用應力；—屈服強度；—安全系數。

許用應力計算公式：（K取1.1）

式中：—許用應力；—基本許用應力；K—折算系數。

名義計算的彎曲時的基本許用應力應乘以系數，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn熱軋鋼板可以滿足抗彎強度要求。

6 塔架撓度校核

塔架滿足抗彎強度要求，僅說明在塔架達到彎矩最大時，不能超過彈性變形而折斷，并不代表塔架在整個起塔和工作過程中滿足設計要求，在實際起塔過程中，變形過度也會對設備造成不良影響，需要對塔架的抗彎剛性進行計算。

圖11 撓度計算分析簡圖

圖8中AN段相對于AB段長度較短，且設計中這段剛度足夠大，故把NB段作為懸臂梁，在重力G的作用下進行撓度計算，見圖11。查文獻[4]中的表6.1得外伸端B撓度計算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距離；l-NB段距離；G-外載荷；這里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗彎剛度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B處撓度，轉角（弧度）。

以上結果表明，水平狀態下塔架長L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。轉角很小，=214.2即塔架長與撓度比值較大，且實際塔架結構中會增加各種筋板來提高剛度，不會產生過度變形，故剛度滿足要求。

7 總結

本設計樁機的塔架可以承受45 kN·m的動力頭扭矩，可以在很多復雜的地層中鉆進，塔架可以多次折疊，使得在運輸時不需要卸塔，節省了大部分的裝塔和卸塔的時間，同時也減少了塔架所占的運輸空間，運作起來比較靈活，可以使用更少的人來安裝或拆卸。

參考文獻

[1]孫志禮，冷興聚，魏延剛，曾海泉主編.機械設計[M].北京：科學出版社，2008..

[2]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

[4]劉鴻文主編.材料力學（第三版）上冊[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

作者簡介

薛淑華（1964-），女，遼寧沈陽人，高級工程師，從事機械設計及制造工作。endprint

圖5 摩擦力在接合面產生的扭矩

以法蘭為受力分析對象，螺栓預緊后在接合面間產生的摩擦力來傳遞扭矩，見圖5。摩擦力產生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—預緊力產生的摩擦力；—螺栓孔中心到法蘭中心的距離；μ—接合面摩擦系數，μ=0.13；Q—10.9級螺栓預緊力，Q=205000 N。

計算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的計算

1）起塔油缸缸徑為D=φ200 mm油缸，查文獻[5]中的表21-6-36得與之匹配的桿徑為d=φ110 mm，工作壓力P=25（MPa），工作時為兩個油缸同時支起塔，有如下公式：。

2）如圖6所示為起塔初始狀態，在整個起塔過程中，起塔力F=，重力G始終不變，H1在-11.4°≤α≤0°之間增加，在0°≤α≤90°之間減小，H2在整個過程中始終減小。當α=31°時，起塔力最大，F=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔壓力Pmax==18.32（MPa）；α=90°時為最大落塔力，Fmax1=386731.4（N），落塔時油缸的壓力Pmax1==8.82（MPa）。

圖6 起塔最初狀態

5 彎曲強度校核

塔架整體受力過程中，分析出塔架在起塔狀態（見圖7）時，所受彎矩最大，故在此狀態對塔架進行彎曲強度校核。圖8為起塔狀態塔架受力分析簡圖。

圖7 起塔狀態圖

由之前的說明可知，圖8狀態下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根據設計圖紙匯總，計算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支桿，提升橫梁和鋼絲繩的重量）；運用Solidworks強大的計算功能，得出塔架的水平方向重心為l=12185 mm。

圖8 起塔狀態受力分析簡圖

以A為原點，列出彎矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A點、N點、G點彎矩分別為MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，彎矩圖見圖9。

圖9 起塔狀態下的彎矩圖

由圖可知N點，即油缸鉸接支承處所受彎矩最大。

一般情況下，彎矩最大處的截面上所受的正應力最大。

截面上彎曲正應力公式： （8）

式中：-彎曲正應力；M—截面上的彎矩；Wt-抗彎截面系數。

Y軸抗彎截面系數公式： （9）

式中：Wt-抗彎截面系數；Iy-橫截面對y軸的慣性矩；-重心到截面的最遠距離。

選取16Mn熱軋鋼板作為塔架焊接用板材進行校核，，N點處截面含有與油缸聯接的油缸套，能夠增強N點的抗彎強度，而N點周圍的大部分截面并沒有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作為危險截面（見圖10）進行校核。

圖10 N點附近截面圖

利用Solidworks的計算功能，設定o為原點，求出截面的重心坐標A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根據式（8），式（9）計算出88.52 MPa。

基本許用應力計算公式：

式中：—基本許用應力；—屈服強度；—安全系數。

許用應力計算公式：（K取1.1）

式中：—許用應力；—基本許用應力；K—折算系數。

名義計算的彎曲時的基本許用應力應乘以系數，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn熱軋鋼板可以滿足抗彎強度要求。

6 塔架撓度校核

塔架滿足抗彎強度要求，僅說明在塔架達到彎矩最大時，不能超過彈性變形而折斷，并不代表塔架在整個起塔和工作過程中滿足設計要求，在實際起塔過程中，變形過度也會對設備造成不良影響，需要對塔架的抗彎剛性進行計算。

圖11 撓度計算分析簡圖

圖8中AN段相對于AB段長度較短，且設計中這段剛度足夠大，故把NB段作為懸臂梁，在重力G的作用下進行撓度計算，見圖11。查文獻[4]中的表6.1得外伸端B撓度計算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距離；l-NB段距離；G-外載荷；這里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗彎剛度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B處撓度，轉角（弧度）。

以上結果表明，水平狀態下塔架長L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。轉角很小，=214.2即塔架長與撓度比值較大，且實際塔架結構中會增加各種筋板來提高剛度，不會產生過度變形，故剛度滿足要求。

7 總結

本設計樁機的塔架可以承受45 kN·m的動力頭扭矩，可以在很多復雜的地層中鉆進，塔架可以多次折疊，使得在運輸時不需要卸塔，節省了大部分的裝塔和卸塔的時間，同時也減少了塔架所占的運輸空間，運作起來比較靈活，可以使用更少的人來安裝或拆卸。

參考文獻

[1]孫志禮，冷興聚，魏延剛，曾海泉主編.機械設計[M].北京：科學出版社，2008..

[2]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

[4]劉鴻文主編.材料力學（第三版）上冊[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

作者簡介

薛淑華（1964-），女，遼寧沈陽人，高級工程師，從事機械設計及制造工作。endprint

圖5 摩擦力在接合面產生的扭矩

以法蘭為受力分析對象，螺栓預緊后在接合面間產生的摩擦力來傳遞扭矩，見圖5。摩擦力產生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—預緊力產生的摩擦力；—螺栓孔中心到法蘭中心的距離；μ—接合面摩擦系數，μ=0.13；Q—10.9級螺栓預緊力，Q=205000 N。

計算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的計算

1）起塔油缸缸徑為D=φ200 mm油缸，查文獻[5]中的表21-6-36得與之匹配的桿徑為d=φ110 mm，工作壓力P=25（MPa），工作時為兩個油缸同時支起塔，有如下公式：。

2）如圖6所示為起塔初始狀態，在整個起塔過程中，起塔力F=，重力G始終不變，H1在-11.4°≤α≤0°之間增加，在0°≤α≤90°之間減小，H2在整個過程中始終減小。當α=31°時，起塔力最大，F=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔壓力Pmax==18.32（MPa）；α=90°時為最大落塔力，Fmax1=386731.4（N），落塔時油缸的壓力Pmax1==8.82（MPa）。

圖6 起塔最初狀態

5 彎曲強度校核

塔架整體受力過程中，分析出塔架在起塔狀態（見圖7）時，所受彎矩最大，故在此狀態對塔架進行彎曲強度校核。圖8為起塔狀態塔架受力分析簡圖。

圖7 起塔狀態圖

由之前的說明可知，圖8狀態下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根據設計圖紙匯總，計算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支桿，提升橫梁和鋼絲繩的重量）；運用Solidworks強大的計算功能，得出塔架的水平方向重心為l=12185 mm。

圖8 起塔狀態受力分析簡圖

以A為原點，列出彎矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A點、N點、G點彎矩分別為MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，彎矩圖見圖9。

圖9 起塔狀態下的彎矩圖

由圖可知N點，即油缸鉸接支承處所受彎矩最大。

一般情況下，彎矩最大處的截面上所受的正應力最大。

截面上彎曲正應力公式： （8）

式中：-彎曲正應力；M—截面上的彎矩；Wt-抗彎截面系數。

Y軸抗彎截面系數公式： （9）

式中：Wt-抗彎截面系數；Iy-橫截面對y軸的慣性矩；-重心到截面的最遠距離。

選取16Mn熱軋鋼板作為塔架焊接用板材進行校核，，N點處截面含有與油缸聯接的油缸套，能夠增強N點的抗彎強度，而N點周圍的大部分截面并沒有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作為危險截面（見圖10）進行校核。

圖10 N點附近截面圖

利用Solidworks的計算功能，設定o為原點，求出截面的重心坐標A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根據式（8），式（9）計算出88.52 MPa。

基本許用應力計算公式：

式中：—基本許用應力；—屈服強度；—安全系數。

許用應力計算公式：（K取1.1）

式中：—許用應力；—基本許用應力；K—折算系數。

名義計算的彎曲時的基本許用應力應乘以系數，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn熱軋鋼板可以滿足抗彎強度要求。

6 塔架撓度校核

塔架滿足抗彎強度要求，僅說明在塔架達到彎矩最大時，不能超過彈性變形而折斷，并不代表塔架在整個起塔和工作過程中滿足設計要求，在實際起塔過程中，變形過度也會對設備造成不良影響，需要對塔架的抗彎剛性進行計算。

圖11 撓度計算分析簡圖

圖8中AN段相對于AB段長度較短，且設計中這段剛度足夠大，故把NB段作為懸臂梁，在重力G的作用下進行撓度計算，見圖11。查文獻[4]中的表6.1得外伸端B撓度計算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距離；l-NB段距離；G-外載荷；這里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗彎剛度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B處撓度，轉角（弧度）。

以上結果表明，水平狀態下塔架長L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。轉角很小，=214.2即塔架長與撓度比值較大，且實際塔架結構中會增加各種筋板來提高剛度，不會產生過度變形，故剛度滿足要求。

7 總結

本設計樁機的塔架可以承受45 kN·m的動力頭扭矩，可以在很多復雜的地層中鉆進，塔架可以多次折疊，使得在運輸時不需要卸塔，節省了大部分的裝塔和卸塔的時間，同時也減少了塔架所占的運輸空間，運作起來比較靈活，可以使用更少的人來安裝或拆卸。

參考文獻

[1]孫志禮，冷興聚，魏延剛，曾海泉主編.機械設計[M].北京：科學出版社，2008..

[2]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

[4]劉鴻文主編.材料力學（第三版）上冊[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主編.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社，2007.

作者簡介

薛淑華（1964-），女，遼寧沈陽人，高級工程師，從事機械設計及制造工作。endprint