22米ZLG折塔螺杆桩机塔架的设计

摘 要 22米ZLG折塔螺杆桩机作为一种新型钻机，它具有450 kN·m大扭矩动力头，独立行走的履带底盘，以及便于装卸和运输的折塔结构。该钻机在大口径长螺旋CFG桩、螺杆桩、挤土桩等领域已经得到了广泛的应用，大扭矩动力头是钻机的核心部件，为此需要制作一个满足此动力要求的塔架，这就要考虑塔架的刚度和强度，并要合理的设计其结构，使其能满足450 kN·m大扭矩动力头，又能满足起落塔和运输折塔的要求。

关键词 折塔；塔架；刚度；强度；设计

中图分类号：TU6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0107-03

1 背景

在建筑桩基础施工设备中，桩机的塔架是用来保障动力头装置带动钻具竖直向下钻进和竖直向上提升，满足钻孔成桩，保证桩垂直度设计要求的关键部分。根据桩机施工孔深的要求，塔可分为两种：一种是桩孔深度大于22米的塔架，多采用螺栓联接可拆型。这种塔架单独运输，拆卸和安装费时费力，起落塔方式采用卷扬机拉动，A字架辅助。另一种是桩孔深度不大于22米的塔架，多采用折叠式组合，利用油缸完成折叠和起落架。这种塔架安装和拆卸简单易行省时省力，搬运采用与主机整体运输，主辅卷扬机钢丝绳可以不用收回，固定在塔架上，减少了下一次安装的辅助时间。22米ZLG折塔螺杆桩机钻孔最大深度为22米，动力头输出转矩为450 kN·m，是用来完成螺杆桩、挤土桩和大径硬岩桩的施工，要求与动力头配套的塔架有足够的刚度和强度，有必要对塔架进行设计计算。

2 塔架的设计

2.1 塔架的外形设计

根据塔架运输要求和折叠结构方式，塔架主骨架采用矩形截面结构，截面外形长宽比值在1.3～1.4之间，塔架整体外形的结构如图1所示。

1.3 米塔；2.起塔油缸；3.17.5 米塔；

4.额头；5.7.5 米塔；6.斜支杆

图1 塔架的外形图

2.2 塔架的抗扭校核

1）动力头的最大扭矩为Tmax=450×1.25=562.5（kN·m），假设动力头的扭转力全部传递至塔架主骨架上。

2）塔架高度H=28 m。

3）为了满足塔架的强度要求，选用强度较高的BS700钢材料，σS=700 MPa。

4）矩形截面主骨架采用板材折弯组焊而成，参照大吨位吊臂截面尺寸。板料的厚度取8 mm～14 mm。

5）塔架主骨架截面如图2所示，a、b为截面中线长和宽，初步定a=1.35b，δ=10 mm。

图2 截面外形图

其最大扭转切应力τmax= （1）

式中：ω—截面中线所围面积，ω=a·b；δ—截面壁厚；Tmax—动力头的扭矩，Tmax=562.5（kN·m）。

BS700材料的许用切应力[τ]= （2）

式中：—BS700材料的屈服强度，=700（MPa）；由文献[3]中的表19-2-12查出基本安全系数=1.2～1.5；由文献[3]中的表19-2-13查出系数A=0.5～0.7；由文献[3]中的表19-2-14查出折减系数K=1～1.1。

扭转强度条件为τmax≤[τ] （3）

由式（1）、（2）、（3）可以得b≥313.5（mm）。

6）扭转刚度条件为ψmax=≤[ψ] （4）

式中：ψmax—单位杆长相对扭转角；ω—截面中线所围面积，ω=a·b；S—截面中线长度，S=2·（a+b）；δ—截面壁厚，δ=10 mm；Tmax—动力头的扭矩，Tmax=562.5（kN·m）；G—剪切模量，G=80（GPa）；[ψ]—许用扭转角，一般取[ψ]=（0.25～0.5）（°/m）。

由式（4）得b≥470.1（mm）。

7）根据厂家的生产能力和材料利用率，选择480×650×10的矩形方管，则有d=650 mm；c=480 mm；δ=10 mm。

8）塔架扭转切应力图见图3，最大扭转切应力出现在塔侧壁的中间位置，在塔对称侧壁中心位置间增焊了7.0角钢，每隔1.2 m放置一个，用来增加塔的抗扭强度和刚度。

图3 截面应力图

3 方塔联接处的设计与校核

3.1 定位销的设计与校核

为了保证设计具有一定安全系数，假设动力头的扭矩全部传递给塔架中心，给塔架产生的扭矩Tmax=562.5 kN·m，在塔架的法兰联接处为了保证塔架的刚度和强度，设计时添加定位销，防止扭转在法兰间有相对位移。此外由联接螺栓预紧力在法兰处产生摩擦力，也能够降低塔架带来的扭矩，降低定位销所受应力。

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

图4 法兰处定位销的位置分布

法兰联接处定位销的位置如图4，计算出定位销所受剪力，。由于法兰处位置有限，初设定位销直径d=40 mm。

剪应力强度条件： （5）

式中：Q—构件所受剪力；A—剪切面面积，A=；—许用剪应力，≈（0.6～0.8）。

由式（5）得，F1，F3处τ1=313.53 MPa，F2，F4处τ2=410.27 MPa，考虑到塔架折叠处的定位销，在塔架闭合过程中，由于多种原因，法兰与定位销可能发生一定的摩擦与冲击，所以定位销在满足剪应力的同时，要有一定的疲劳强度和耐磨性，故选用42CrMo，=542.5 MPa，满足强度条件。

3.2 法兰接合面出摩擦力产生的扭矩计算

图1中，每节塔架联接处采用高强度螺栓联接，塔架采用强度为σs=700 MPa的板材，故选用的螺栓强度要高于700 MPa，选用10.9级高强度螺栓。endprint

图5 摩擦力在接合面产生的扭矩

以法兰为受力分析对象，螺栓预紧后在接合面间产生的摩擦力来传递扭矩，见图5。摩擦力产生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—预紧力产生的摩擦力；—螺栓孔中心到法兰中心的距离；μ—接合面摩擦系数，μ=0.13；Q—10.9级螺栓预紧力，Q=205000 N。

计算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的计算

1）起塔油缸缸径为D=φ200 mm油缸，查文献[5]中的表21-6-36得与之匹配的杆径为d=φ110 mm，工作压力P=25（MPa），工作时为两个油缸同时支起塔，有如下公式：。

2）如图6所示为起塔初始状态，在整个起塔过程中，起塔力F=，重力G始终不变，H1在-11.4°≤α≤0°之间增加，在0°≤α≤90°之间减小，H2在整个过程中始终减小。当α=31°时，起塔力最大，F=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔压力Pmax==18.32（MPa）；α=90°时为最大落塔力，Fmax1=386731.4（N），落塔时油缸的压力Pmax1==8.82（MPa）。

图6 起塔最初状态

5 弯曲强度校核

塔架整体受力过程中，分析出塔架在起塔状态（见图7）时，所受弯矩最大，故在此状态对塔架进行弯曲强度校核。图8为起塔状态塔架受力分析简图。

图7 起塔状态图

由之前的说明可知，图8状态下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根据设计图纸汇总，计算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支杆，提升横梁和钢丝绳的重量）；运用Solidworks强大的计算功能，得出塔架的水平方向重心为l=12185 mm。

图8 起塔状态受力分析简图

以A为原点，列出弯矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A点、N点、G点弯矩分别为MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，弯矩图见图9。

图9 起塔状态下的弯矩图

由图可知N点，即油缸铰接支承处所受弯矩最大。

一般情况下，弯矩最大处的截面上所受的正应力最大。

截面上弯曲正应力公式： （8）

式中：-弯曲正应力；M—截面上的弯矩；Wt-抗弯截面系数。

Y轴抗弯截面系数公式： （9）

式中：Wt-抗弯截面系数；Iy-横截面对y轴的惯性矩；-重心到截面的最远距离。

选取16Mn热轧钢板作为塔架焊接用板材进行校核，，N点处截面含有与油缸联接的油缸套，能够增强N点的抗弯强度，而N点周围的大部分截面并没有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作为危险截面（见图10）进行校核。

图10 N点附近截面图

利用Solidworks的计算功能，设定o为原点，求出截面的重心坐标A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根据式（8），式（9）计算出88.52 MPa。

基本许用应力计算公式：

式中：—基本许用应力；—屈服强度；—安全系数。

许用应力计算公式：（K取1.1）

式中：—许用应力；—基本许用应力；K—折算系数。

名义计算的弯曲时的基本许用应力应乘以系数，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn热轧钢板可以满足抗弯强度要求。

6 塔架挠度校核

塔架满足抗弯强度要求，仅说明在塔架达到弯矩最大时，不能超过弹性变形而折断，并不代表塔架在整个起塔和工作过程中满足设计要求，在实际起塔过程中，变形过度也会对设备造成不良影响，需要对塔架的抗弯刚性进行计算。

图11 挠度计算分析简图

图8中AN段相对于AB段长度较短，且设计中这段刚度足够大，故把NB段作为悬臂梁，在重力G的作用下进行挠度计算，见图11。查文献[4]中的表6.1得外伸端B挠度计算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距离；l-NB段距离；G-外载荷；这里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗弯刚度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B处挠度，转角（弧度）。

以上结果表明，水平状态下塔架长L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。转角很小，=214.2即塔架长与挠度比值较大，且实际塔架结构中会增加各种筋板来提高刚度，不会产生过度变形，故刚度满足要求。

7 总结

本设计桩机的塔架可以承受45 kN·m的动力头扭矩，可以在很多复杂的地层中钻进，塔架可以多次折叠，使得在运输时不需要卸塔，节省了大部分的装塔和卸塔的时间，同时也减少了塔架所占的运输空间，运作起来比较灵活，可以使用更少的人来安装或拆卸。

参考文献

[1]孙志礼，冷兴聚，魏延刚，曾海泉主编.机械设计[M].北京：科学出版社，2008..

[2]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]刘鸿文主编.材料力学（第三版）上册[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

作者简介

薛淑华（1964-），女，辽宁沈阳人，高级工程师，从事机械设计及制造工作。endprint

图5 摩擦力在接合面产生的扭矩

以法兰为受力分析对象，螺栓预紧后在接合面间产生的摩擦力来传递扭矩，见图5。摩擦力产生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—预紧力产生的摩擦力；—螺栓孔中心到法兰中心的距离；μ—接合面摩擦系数，μ=0.13；Q—10.9级螺栓预紧力，Q=205000 N。

计算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的计算

1）起塔油缸缸径为D=φ200 mm油缸，查文献[5]中的表21-6-36得与之匹配的杆径为d=φ110 mm，工作压力P=25（MPa），工作时为两个油缸同时支起塔，有如下公式：。

2）如图6所示为起塔初始状态，在整个起塔过程中，起塔力F=，重力G始终不变，H1在-11.4°≤α≤0°之间增加，在0°≤α≤90°之间减小，H2在整个过程中始终减小。当α=31°时，起塔力最大，F=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔压力Pmax==18.32（MPa）；α=90°时为最大落塔力，Fmax1=386731.4（N），落塔时油缸的压力Pmax1==8.82（MPa）。

图6 起塔最初状态

5 弯曲强度校核

塔架整体受力过程中，分析出塔架在起塔状态（见图7）时，所受弯矩最大，故在此状态对塔架进行弯曲强度校核。图8为起塔状态塔架受力分析简图。

图7 起塔状态图

由之前的说明可知，图8状态下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根据设计图纸汇总，计算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支杆，提升横梁和钢丝绳的重量）；运用Solidworks强大的计算功能，得出塔架的水平方向重心为l=12185 mm。

图8 起塔状态受力分析简图

以A为原点，列出弯矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A点、N点、G点弯矩分别为MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，弯矩图见图9。

图9 起塔状态下的弯矩图

由图可知N点，即油缸铰接支承处所受弯矩最大。

一般情况下，弯矩最大处的截面上所受的正应力最大。

截面上弯曲正应力公式： （8）

式中：-弯曲正应力；M—截面上的弯矩；Wt-抗弯截面系数。

Y轴抗弯截面系数公式： （9）

式中：Wt-抗弯截面系数；Iy-横截面对y轴的惯性矩；-重心到截面的最远距离。

选取16Mn热轧钢板作为塔架焊接用板材进行校核，，N点处截面含有与油缸联接的油缸套，能够增强N点的抗弯强度，而N点周围的大部分截面并没有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作为危险截面（见图10）进行校核。

图10 N点附近截面图

利用Solidworks的计算功能，设定o为原点，求出截面的重心坐标A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根据式（8），式（9）计算出88.52 MPa。

基本许用应力计算公式：

式中：—基本许用应力；—屈服强度；—安全系数。

许用应力计算公式：（K取1.1）

式中：—许用应力；—基本许用应力；K—折算系数。

名义计算的弯曲时的基本许用应力应乘以系数，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn热轧钢板可以满足抗弯强度要求。

6 塔架挠度校核

塔架满足抗弯强度要求，仅说明在塔架达到弯矩最大时，不能超过弹性变形而折断，并不代表塔架在整个起塔和工作过程中满足设计要求，在实际起塔过程中，变形过度也会对设备造成不良影响，需要对塔架的抗弯刚性进行计算。

图11 挠度计算分析简图

图8中AN段相对于AB段长度较短，且设计中这段刚度足够大，故把NB段作为悬臂梁，在重力G的作用下进行挠度计算，见图11。查文献[4]中的表6.1得外伸端B挠度计算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距离；l-NB段距离；G-外载荷；这里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗弯刚度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B处挠度，转角（弧度）。

以上结果表明，水平状态下塔架长L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。转角很小，=214.2即塔架长与挠度比值较大，且实际塔架结构中会增加各种筋板来提高刚度，不会产生过度变形，故刚度满足要求。

7 总结

本设计桩机的塔架可以承受45 kN·m的动力头扭矩，可以在很多复杂的地层中钻进，塔架可以多次折叠，使得在运输时不需要卸塔，节省了大部分的装塔和卸塔的时间，同时也减少了塔架所占的运输空间，运作起来比较灵活，可以使用更少的人来安装或拆卸。

参考文献

[1]孙志礼，冷兴聚，魏延刚，曾海泉主编.机械设计[M].北京：科学出版社，2008..

[2]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]刘鸿文主编.材料力学（第三版）上册[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

作者简介

薛淑华（1964-），女，辽宁沈阳人，高级工程师，从事机械设计及制造工作。endprint

图5 摩擦力在接合面产生的扭矩

以法兰为受力分析对象，螺栓预紧后在接合面间产生的摩擦力来传递扭矩，见图5。摩擦力产生的扭矩公式：

（6）

（7）

式中：f—预紧力产生的摩擦力；—螺栓孔中心到法兰中心的距离；μ—接合面摩擦系数，μ=0.13；Q—10.9级螺栓预紧力，Q=205000 N。

计算求得f=26650 N，M=213269.290 N·m。

4 起落塔力的计算

1）起塔油缸缸径为D=φ200 mm油缸，查文献[5]中的表21-6-36得与之匹配的杆径为d=φ110 mm，工作压力P=25（MPa），工作时为两个油缸同时支起塔，有如下公式：。

2）如图6所示为起塔初始状态，在整个起塔过程中，起塔力F=，重力G始终不变，H1在-11.4°≤α≤0°之间增加，在0°≤α≤90°之间减小，H2在整个过程中始终减小。当α=31°时，起塔力最大，F=1150698.4（N），起塔油缸的最大起塔压力Pmax==18.32（MPa）；α=90°时为最大落塔力，Fmax1=386731.4（N），落塔时油缸的压力Pmax1==8.82（MPa）。

图6 起塔最初状态

5 弯曲强度校核

塔架整体受力过程中，分析出塔架在起塔状态（见图7）时，所受弯矩最大，故在此状态对塔架进行弯曲强度校核。图8为起塔状态塔架受力分析简图。

图7 起塔状态图

由之前的说明可知，图8状态下，油缸垂直方向受力FN=1063035.3 N，根据设计图纸汇总，计算出塔架分析部分的重量G=120393 N（包含斜支杆，提升横梁和钢丝绳的重量）；运用Solidworks强大的计算功能，得出塔架的水平方向重心为l=12185 mm。

图8 起塔状态受力分析简图

以A为原点，列出弯矩方程：

AN段 Mx=-FN（L1-x）

NG段 Mx=-G（L2-x）

GB段 Mx=0

求出A点、N点、G点弯矩分别为MA=0，MN=-1300870444N·mm，MG=0，弯矩图见图9。

图9 起塔状态下的弯矩图

由图可知N点，即油缸铰接支承处所受弯矩最大。

一般情况下，弯矩最大处的截面上所受的正应力最大。

截面上弯曲正应力公式： （8）

式中：-弯曲正应力；M—截面上的弯矩；Wt-抗弯截面系数。

Y轴抗弯截面系数公式： （9）

式中：Wt-抗弯截面系数；Iy-横截面对y轴的惯性矩；-重心到截面的最远距离。

选取16Mn热轧钢板作为塔架焊接用板材进行校核，，N点处截面含有与油缸联接的油缸套，能够增强N点的抗弯强度，而N点周围的大部分截面并没有油缸套，所以取除油缸套以外的截面作为危险截面（见图10）进行校核。

图10 N点附近截面图

利用Solidworks的计算功能，设定o为原点，求出截面的重心坐标A（0，-49.922）， mm4，=AB=374.922 mm，根据式（8），式（9）计算出88.52 MPa。

基本许用应力计算公式：

式中：—基本许用应力；—屈服强度；—安全系数。

许用应力计算公式：（K取1.1）

式中：—许用应力；—基本许用应力；K—折算系数。

名义计算的弯曲时的基本许用应力应乘以系数，求得[σ]m=230 MPa，即[σ]m。

故塔架的材料采用16Mn热轧钢板可以满足抗弯强度要求。

6 塔架挠度校核

塔架满足抗弯强度要求，仅说明在塔架达到弯矩最大时，不能超过弹性变形而折断，并不代表塔架在整个起塔和工作过程中满足设计要求，在实际起塔过程中，变形过度也会对设备造成不良影响，需要对塔架的抗弯刚性进行计算。

图11 挠度计算分析简图

图8中AN段相对于AB段长度较短，且设计中这段刚度足够大，故把NB段作为悬臂梁，在重力G的作用下进行挠度计算，见图11。查文献[4]中的表6.1得外伸端B挠度计算公式：

（10）

（11）

式中：a-NG段距离；l-NB段距离；G-外载荷；这里是重力G=120393 N，EIy-梁的抗弯刚度，EIy=1205634495555102 N·mm2。

由式（10），（11）得B处挠度，转角（弧度）。

以上结果表明，水平状态下塔架长L=25000 mm，末端距水平位置下沉116.69 mm。转角很小，=214.2即塔架长与挠度比值较大，且实际塔架结构中会增加各种筋板来提高刚度，不会产生过度变形，故刚度满足要求。

7 总结

本设计桩机的塔架可以承受45 kN·m的动力头扭矩，可以在很多复杂的地层中钻进，塔架可以多次折叠，使得在运输时不需要卸塔，节省了大部分的装塔和卸塔的时间，同时也减少了塔架所占的运输空间，运作起来比较灵活，可以使用更少的人来安装或拆卸。

参考文献

[1]孙志礼，冷兴聚，魏延刚，曾海泉主编.机械设计[M].北京：科学出版社，2008..

[2]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]刘鸿文主编.材料力学（第三版）上册[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

作者简介

薛淑华（1964-），女，辽宁沈阳人，高级工程师，从事机械设计及制造工作。endprint