塔機抽拉式附著桿的設計與應用

2015-08-02 08:35:43李加敖明長偉琳LIJiaaoMINGChangweiHANWeiZHANGLin山東中建眾力設備租賃有限公司山東濟南500河北石油職業技術學院河北廊坊065000

建筑機械化 2015年5期

李加敖，明長偉，韓偉，張琳LI Jia-ao, MING Chang-wei, HAN Wei, ZHANG Lin(.山東中建眾力設備租賃有限公司，山東濟南 500；.河北石油職業技術學院，河北廊坊 065000)

塔機抽拉式附著桿的設計與應用

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.山東中建眾力設備租賃有限公司，山東濟南 250022；2.河北石油職業技術學院，河北廊坊 065000)

[摘要]介紹了塔式起重機目前附著情況，總結了目前固定式附著桿存在的問題及不足，對附著內力隨附著點及附著角度變化進行了分析，并根據附著桿內力設計出抽拉式附著桿，彌補了固定式附著桿的不足。

[關鍵詞]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，必須進行附著才能頂升，塔機附著裝置承擔著塔機的扭矩、彎矩、水平剪力，塔機附著裝置是保證塔機穩定，確保塔機安全使用的關鍵結構。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濟負擔。為此，設計出可以重復利用、可以滿足不同長度的標準化的附著桿具有非常重要的意義；我公司根據經驗，并經理論計算，根據塔機型號設計出不同類別的抽拉式附著桿，并應用于工程中，取得了良好的經濟效益。

1 附著桿受力力學模型

多數塔機附著裝置為平面內3根不交于一點的附著桿形成的三角形穩定結構形式，塔機附著桿為軸心拉壓桿件，附著桿的內力隨附著位置、附著距離、附著角度變化而變化。圖1所示為以永茂ST5513為例建立附著力學模型。

從附著受力模型可知，附著桿主要承受塔機彎矩及風載荷產生的支撐反力R及回轉產生的扭矩T。

圖1 塔機附著力學模型

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梁計算，錨固裝置相當于剛性支點，塔機附著支撐反力與附著數量、附著高度、自由高度相關，為簡化計算，可按只有最高一道附著裝置計算，這樣計算結果偏于安全。

2.1 工作狀態下第一道附著時附著反力計算

工作狀態下第一次附著時的力學模型如圖2所示。

按一次超靜定結構計算附著反力

圖2 工作狀態下第一次附著時支撐反力力學模型

式中 R——附著反力；

a——附著點至塔機基礎頂面距離；

h——塔機總高度；

q1——塔機所受風線載荷標準值；

M——塔機自重及吊載產生的彎矩。

在工地現場施工時，因施工及樓房結構原因，經常需要提前附著，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生的附著反力進行對比，如表1所示，繪制成變化曲線如圖3所示。

表1 工作狀態下在不同高度附著情況產生的附著反力

圖3 工作狀態下不同高度附著情況產生的附著反力曲線

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 非工作狀態下第一道附著時附著反力計算

非工作狀態下第一道附著的力學模型如圖4所示。

圖4 非工作狀態下第一次附著時支撐反力力學模型

式中 Ro—附著反力；

a— 附著點至塔機基礎頂面距離；

h—塔機總高度；

q2— 非工作狀態塔機所受風線載荷標準值；

Mo— 塔機自重產生的彎矩。

對不同高度附著情況產生的附著反力進行對比，如表2所示，繪制成變化曲線如圖5所示。

表2 非工作狀態下在不同高度附著情況產生的附著反力

圖5 非工作狀態下不同高度附著情況產生的附著反力曲線

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附著反力計算

最大高度時工作狀態附著狀態下力學模型如圖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附著反力計算

最大高度時非工作狀態附著狀態下力學模型如圖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,一般取1.9～2.3；

P——電動機功率（kW）;

η——回轉機構總效率，一般取0.85～0.9；

圖6 最大高度時塔機工作狀態支撐反力力學模型

圖7 最大高度時塔機工作非狀態支撐反力力學模型

k—— 電動機啟動影響系數，一般取1.2～1.8;

n—— 塔機回轉速度（r/min）。

代入數據計算可得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內力時，應對桿AD和桿BC交點O1取矩，由ΣO1=0得

同理求附著桿BC內力時，應對桿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 以內為例，分析塔機附著桿內力隨附著角度變化趨勢。通過計算，繪制出各附著桿內力變化圖，如圖9～圖11 所示。

圖9 桿AD內力隨附著角度變化圖

圖10 桿BD內力隨附著角度變化圖

圖11 桿BC內力隨附著角度變化圖

從附著桿受力變化圖可以明顯看出，附著桿內力隨附著角度變化非常明顯，桿AD、BD內力隨附著角度變大呈弧線變化，附著角度增加到50°桿內力逐步遞減到最小值，然后隨著附著角度增加，內力又逐步遞增；桿BC內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，并考慮現場施工實際，附著角度以40°～60°為宜；附著桿設計內力值按300kN考慮，這樣偏于安全。

5 抽拉式附著桿的設計

附著桿一端鉸接與塔機附著框，另一端與附墻預埋板鉸接，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，結構形式常為型鋼（如方鋼、圓鋼等）實腹式桿或者以型鋼（如角鋼、槽鋼等）為主肢加工為格構式桿。固定式附著桿存在以下缺點：①可調距離很短（調節距離在100mm以內），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，附著距離發生變化，該附著桿無法使用。

為解決塔機附著桿重復使用及適應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，設計了伸縮式塔機附著桿（圖12）。下面以5513塔機為例，設計塔機附著桿。