塔机抽拉式附着杆的设计与应用

李加敖，明长伟，韩 伟，张 琳LI Jia-ao, MING Chang-wei, HAN Wei, ZHANG Lin(.山东中建众力设备租赁有限公司，山东 济南 500；.河北石油职业技术学院，河北 廊坊 065000)

塔机抽拉式附着杆的设计与应用

李加敖1，明长伟1，韩 伟2，张 琳2
LI Jia-ao, MING Chang-wei, HAN Wei, ZHANG Lin
(1.山东中建众力设备租赁有限公司，山东 济南 250022；2.河北石油职业技术学院，河北 廊坊 065000)

[摘 要]介绍了塔式起重机目前附着情况，总结了目前固定式附着杆存在的问题及不足，对附着内力随附着点及附着角度变化进行了分析，并根据附着杆内力设计出抽拉式附着杆，弥补了固定式附着杆的不足。

[关键词]塔式起重机；抽拉式附着杆；支撑反力

塔机高于独立高度使用时，必须进行附着才能顶升，塔机附着装置承担着塔机的扭矩、弯矩、水平剪力，塔机附着装置是保证塔机稳定，确保塔机安全使用的关键结构。塔机附着问题也是每个租赁公司面临的一个普遍性的难题，工程不同，塔机的附着距离、附着角度亦不同，造成附着杆长度也不相同；原来使用的附着杆在新工地不一定能够使用，为满足施工需要，势必将原有的附着杆改造或者重新加工，这样不仅造成材料的极大浪费，也给租赁公司带来沉重的经济负担。为此，设计出可以重复利用、可以满足不同长度的标准化的附着杆具有非常重要的意义；我公司根据经验，并经理论计算，根据塔机型号设计出不同类别的抽拉式附着杆，并应用于工程中，取得了良好的经济效益。

1 附着杆受力力学模型

多数塔机附着装置为平面内3根不交于一点的附着杆形成的三角形稳定结构形式，塔机附着杆为轴心拉压杆件，附着杆的内力随附着位置、附着距离、附着角度变化而变化。图1所示为以永茂ST5513为例建立附着力学模型。

从附着受力模型可知，附着杆主要承受塔机弯矩及风载荷产生的支撑反力R及回转产生的扭矩T。

图1 塔机附着力学模型

2 塔机附着支撑反力计算

附着式塔身按带悬臂的多跨连续梁计算，锚固装置相当于刚性支点，塔机附着支撑反力与附着数量、附着高度、自由高度相关，为简化计算，可按只有最高一道附着装置计算，这样计算结果偏于安全。

2.1 工作状态下第一道附着时附着反力计算

工作状态下第一次附着时的力学模型如图2所示。

按一次超静定结构计算附着反力

图2 工作状态下第一次附着时支撑反力力学模型

式中 R——附着反力；

a——附着点至塔机基础顶面距离；

h——塔机总高度；

q1——塔机所受风线载荷标准值；

M——塔机自重及吊载产生的弯矩。

在工地现场施工时，因施工及楼房结构原因，经常需要提前附着，通常做法是保持自由端高度按说明书要求，而不考虑附着以下高度问题。下面对在不同高度附着情况产生的附着反力进行对比，如表1所示，绘制成变化曲线如图3所示。

表1 工作状态下在不同高度附着情况产生的附着反力

图3 工作状态下不同高度附着情况产生的附着反力曲线

由附着反力对比图可知，自由高度与附着高度之比由1变化至2.4时，附着反力增加至近2倍。

2.2 非工作状态下第一道附着时附着反力计算

非工作状态下第一道附着的力学模型如图4所示。

图4 非工作状态下第一次附着时支撑反力力学模型

式中 Ro—附着反力；

a— 附着点至塔机基础顶面距离；

h—塔机总高度；

q2— 非工作状态塔机所受风线载荷标准值；

Mo— 塔机自重产生的弯矩。

对不同高度附着情况产生的附着反力进行对比，如表2所示，绘制成变化曲线如图5所示。

表2 非工作状态下在不同高度附着情况产生的附着反力

图5 非工作状态下不同高度附着情况产生的附着反力曲线

由对比图可知，自由高度与附着高度之比由1增加至2.4时，附着反力增加至1.6倍。

2.3 最大高度时最上一道附着工作状态附着反力计算

最大高度时工作状态附着状态下力学模型如图6所示。

附着高度111m，自由高度36m，附着反力47.7kN。

2.4 最大高度时最上一道附着非工作状态附着反力计算

最大高度时非工作状态附着状态下力学模型如图7所示。

附着高度111m，自由高度36m，附着反力153.5kN。

3 塔机扭矩计算

式中 Tmax——启动时最大扭矩（kNm）;

λ——扭矩增大系数,一般取1.9～2.3；

P——电动机功率（kW）;

η——回转机构总效率，一般取0.85～0.9；

图6 最大高度时塔机工作状态支撑反力力学模型

图7 最大高度时塔机工作非状态支撑反力力学模型

k—— 电动机启动影响系数，一般取1.2～1.8;

n—— 塔机回转速度（r/min）。

代入数据计算可得Tmax=222.3kNm。

4 附着杆在各种工况下最大受力计算

图8 塔机附着杆受力模型

求附着杆AD内力时，对杆BD和杆BC交点B取矩，附着反力R的方向随起重臂的回转而变化，R方向与OB垂直时杆AD受力最大，由ΣB=0得

同理求附着杆BD内力时，应对杆AD和杆BC交点O1取矩，由ΣO1=0得

同理求附着杆BC内力时，应对杆AD和杆BD交点D取矩，由ΣD=0得

下面以永茂ST5513 塔机为例，在塔机中心离楼面外墙距离4.5m，塔机自由端高度与附着高度之比控制在1.5 以内为例，分析塔机附着杆内力随附着角度变化趋势。通过计算，绘制出各附着杆内力变化图，如图9～图11 所示。

图9 杆AD内力随附着角度变化图

图10 杆BD内力随附着角度变化图

图11 杆BC内力随附着角度变化图

从附着杆受力变化图可以明显看出，附着杆内力随附着角度变化非常明显，杆AD、BD内力随附着角度变大呈弧线变化，附着角度增加到50°杆内力逐步递减到最小值，然后随着附着角度增加，内力又逐步递增；杆BC内力随附着角度增加而递减变化。在日常塔机附着时，三杆加工为等截面，以便于互换；综合考虑以上情况，并考虑现场施工实际，附着角度以40°～60°为宜；附着杆设计内力值按300kN考虑，这样偏于安全。

5 抽拉式附着杆的设计

附着杆一端铰接与塔机附着框，另一端与附墙预埋板铰接，中等长度的附着杆属于轴心压杆。

通常的附着杆按照附着距离加工为固定长度，结构形式常为型钢（如方钢、圆钢等）实腹式杆或者以型钢（如角钢、槽钢等）为主肢加工为格构式杆。固定式附着杆存在以下缺点：①可调距离很短（调节距离在100mm以内），如果附着距离测量误差较大，附着杆就无法安装；②通用性差，到了新工地，附着距离发生变化，该附着杆无法使用。

为解决塔机附着杆重复使用及适应工地附着距离变化问题，我公司受汽车起重机起重臂伸缩变化的启示，设计了伸缩式塔机附着杆（图12）。下面以5513塔机为例，设计塔机附着杆。

图12 抽拉式附着杆结构图

该塔机附着杆主杆设计为5m，芯杆设计为3m，附着杆使用长度从5.3～7.2m，可调节长度1.9m，可以满足一般工地的施工要求。

5.1 附着杆稳定性校核

主杆采用□180×10，芯杆采用□140×6，材料为Q235。杆件的截面特性如表3所示。

表3 杆体截面特性表

以附着杆抽拉至最长7.2m进行校核：计算长度Lo＝μ2L,根据主、芯杆惯性矩之比I主/I芯＝3.4，L主/L＝0.69，求得μ2＝1.06，所以Lo＝7.632m。

根据λ查表得稳定系数φ＝0.494

满足要求。

5.2 连接销轴强度校核

连接销轴采用Ø36，材料Q235,许用剪切应力[τ]=124N/mm2；

满足要求。

6 抽拉式附着杆的应用

我公司按照塔机型号并根据附着杆内力成系列的设计了抽拉式塔机附着杆，如QTZ80系列、QTZ160系列、QTZ240系列、QTZ400系列等，基本涵盖了我公司所有机型，并在工程实际中得到了广泛的应用，取得了良好的经济效益。

抽拉式附着杆具有以下优势：①可以重复使用，通用性、互换性强；可以节约大量的经济成本；②可调节范围大（调节幅度达到2m），可以适应不同工程需要；③安装效率高，在现场安装时，可以根据工程实际随意抽拉附着杆以适应工程需要，避免了因测量误差而重新加工附着杆的弊端。

基于以上优势，抽拉式附着杆在塔机的应用是大势所趋，也与国家推行绿色、环保施工相吻合；我公司在塔机附着系统的探索，为塔机附着标准化、规范化做出了有益的尝试。

（编辑 贾泽辉）

［中图分类号］TH212;TH213.3

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)05-0068-04

［收稿日期］2015-03-24

Design and application of tower crane pumping and tensile type attachment rod