塔式起重机顶升套架设计方法的研究论文

塔式起重机(以下简称塔机)是工程建设过程中不可缺少的设备之一，其主要功能是完成建设施工材料的水平和垂直的输送。由于中国自升式塔机具有施工速度快，能够很方便地完成标准节的顶升加高等工作，从而更好地满足了建设施工的需要，在当前的工程建设过程中得到了极为广泛的应用。按照顶升方式的不同我们可将自升式塔机分为两种型式，即侧面顶升塔机和中心顶升塔机，两种型式塔机的明显区别在于前者顶升时回转中心与顶升油缸中心不重合，而后者则重合。目前在建设工地上使用较多的是侧面顶升塔机，其顶升油缸和顶升横梁都在同一侧面，本文主要分析的是侧面顶升塔机。中国该型式塔机在实施顶升过程中塔机上下标准节必须断开联接，上部的塔身仅仅依靠顶升油缸来支撑，由于顶升时回转中心与油缸中心不重合，假如找平衡不准确或者遇到一些突发性的事件时都会严重影响到顶升工作的安全。从以往的塔机事故统计表明，在顶升过程中发生安全事故的比例相当高，多数都是人为因素(如违反操作规程等) 造成，但是也有属于塔机结构本身的因素。基于以上分析，我们应当在保证工程建设安全的基础上，对塔机顶升套架的设计进行深入的分析和研究。

1 塔机顶升套架的结构分析

由于顶升套架是塔机在顶升阶段的重要受力结构，因此我们在进行顶升套架的结构分析时应当充分考虑影响顶升套架结构重心的所有因素。在实际的顶升作业过程中，如何调整上部塔身的重心，使上部塔身达到平衡稳定是实现安全顶升作业的关键。但是由于此时塔机受到各种载荷(如风载荷等)的影响，加载的载荷种类十分繁多，载荷的重量又在不断变化，并且载荷的方向是随时变化的，这种情况极易造成塔机的侧翻，甚至会产生塔身的扭转变形。为了有效的解决这一问题，我们通常在套架和塔身之间设计安装多个滚轮来进行调整。因为顶升时塔机所承受的载荷的大小和方向是随机变化的，光靠若干个滚轮无法满足受力要求，而且此时的滚轮有一些受力，有一些不受力，所以这种方式能够有效的避免因压力作用产生的塔机侧翻现象，但是对于中国因拉力作用产生的塔机侧翻现象却无能为力。另一方面，由于顶升时套架的上部分和回转支座连接在一起，因此上部结构所产生的载荷作用能够通过回转支座传递到顶升套架上面来。虽然顶升套架的结构刚度较差，但是回转支座所具有的刚度非常好，把两个不同刚度的框架式结构连接在一起使用是顶升套架结构的一个主要特性。此外在顶升加高时把塔机标准节推进来的时候是通过顶升结构的侧面完成的。也就是说，在进行顶升套架设计制造时，其中有一个侧面必须预留足够的空间，不允许有任何金属结构出现，才能满足顶升时把塔机标准节引入或推出来，这样的结构使套架的刚度和抵抗扭转的能力大大降低。以上这些因素在进行套架设计时必须充分考虑，以确保塔机的安全使用。

2 在进行顶升套架的设计时应当注意的问题

2. 1 套架框架和回转支座的结构差异造成的刚度差异

由于顶升时套架的上部分和回转支座连接在一起，套架上部结构的刚度会受到回转支座的影响，因此在进行顶升套架的设计制造时可以借助一些刚度较大的撑杆来替代实体的回转支座，该种方式下所获得的替代效果与实体回转支座相比较误差并不大，因此得到了广泛的应用和推广。中国还有另一种方式就是设计时将回转支座直接划归为实体单元，把它和下部的套架框架构成一个混合单元建模进行计算，当然这种方式的计算比较麻烦，但是最终获得的结果较为直观。如需转载请注明摘自：中国

2. 2 塔身结构刚度和滚轮之间的相互作用

通过上述分析可知，由于塔机顶升作业时上部结构的不平衡，造成其所产生的不平衡力主要由顶升套架与塔身之间的滚轮进行支撑。而滚轮的受力情况直接受到套架的刚度和塔身的刚度的共同影响。虽然在设计过程中已经充分考虑了套架的刚度，但是对于滚轮下部的接触点的支撑情况并不能作出较为准确的判断。在这种情况下，设计时我们可以将顶升套架结构和塔身相结合成为一个有机的整体，借助有限元分析软件(如ANSYS 软件)建立有限元模型，根据滚轮所受的压力或拉力进行定义，对创建的有限元模型进行计算。由于塔身的高度和滚轮的间隙产生变化时也会对塔身的刚度要求产生较大的影响，因此在实际计算时需要经过多次反复计算才能得到准确的结果。

2. 3 滚轮的受力情况

在使用有限元分析软件进行建模时要注意滚轮的受力情况。由于我们中国知网论文检测建模时是用杆单元来模拟滚轮进行计算的，但是在分析研究过程中发现，杆件能够承受拉力，但是滚轮不能够承受拉力，如此一来，就要将所创建的结构中承受拉力的滚轮去除，而对于承受压力的滚轮进行保留，再进行后续的计算。然而由于去除了受拉力的滚轮，就会导致原来承受压力的某些杆件转为承受拉力的杆件，只有反复去除承受拉力的滚轮来进行计算才能够获得较为准确地结果。需要注意的是，由于去除了承受拉力的滚轮会导致滚轮单元杆件受力情况的变化，因此在实际的受力计算过程中应当将去除的受力滚轮所受的拉力加以恢复，以获取较为准确的计算结果。

3 设计实例

本文主要以TC6016 塔机作为例子对顶升套架的结构进行分析，其设计过程中主要存在以下几点问题:

(1)按照标准节的大小，对顶升套架钢结构主弦杆中心距离进行确定。两者外形尺寸之间相差400 ～ 450mm 为最佳。

(2)对液压顶升油缸的安装距离和液压油缸的行程进行确定。按照中国知网论文标准节的高度A、标准节下部水平腹杆位置大小B 以及滚轮支架上滚轮底部和底板上表面的距离C，将标准节需要的最小空间确定为L(L 指的是液压有缸顶升两个行程需要顶升的最低距离)。那么就有L= A + B - C + 30，其中30 指的是两个标准节在引进时之间的距离，然后可以对液压油缸的最低行程Hmin进行确定。

Hmin = L - A/2 + P，(P 指的是一次顶升的空行程，通常为40mm)油缸安装的大小和油缸行程主要参考液压油缸的最低行程Hmin值来进行确定。

由于套架整体受力的均匀性和顶升套架上下两层导向滚轮之间的距离成正比，按照《塔式起重机安全规程》(GB5144) 中的相关要求:自升式塔机在加节作业时，任一顶升循环中即使顶升油缸的活塞杆全部伸出，塔身上端面至少应比顶升套架上排导向滚轮中心线高60mm。因此上层导向滚轮横向布置的极限位置需要根据L 和预留余量的要求来确定。套架在顶升时，由于需要操作的动作比较多，为了保证设计尺寸的合理性，可以对顶升的过程进行模拟，从而确定最后的尺寸进行。

(3)布置导向滚轮。目前国产塔机顶升套架导向滚轮布置的方式主要有单滚轮和双滚轮两种。

因为塔机在顶升过程中往往会在其顶部产生不平衡载荷，而所产生中国期刊的载荷全部由套架导向滚轮进行承担，而双滚轮因为其在结构上具有的独特性质，能够保证塔机在两个方向上的受力都保持一致，所以在塔机上的应用较广泛。单滚轮结构却不具备这样的性质，因为在顶升作业时由于滚轮的轮缘和主弦杆之间的间隙过大，容易产生导向失效或者啃轨现象。因此单滚轮结构一般应用在中小型的塔机上。由于设备根本需求的差异，在实际的设备建造和设计过程中应当充分的考虑设备的真实需求，从而设计出能够满足实际的施工需求的建筑设备。

4 结论

综上所述，在使用上述方法对塔机顶升套架的结构进行设计时，可以确保塔机使用过程中的安全性和稳定性，安装和使用也比较方便，具有一定的参考价值。

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