一种带有液压抓斗的塔式起重机设计研究

黄李诚 （安徽建筑机械有限责任公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

目前，塔式起重机（以下简称塔机）主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。其优点是有效吊运空间范围大；其缺点是通常只能进行简单的吊运功能，若要实施其他功能，如清理河闸拦污栅上的漂浮物等，则需要配合挖掘机等专门的设备来实现有效的清理和搬运工作，不仅工序繁复，而且浪费人力物力。为完善现有产品性能的不足，公司设计制造了一种带有液压抓斗的塔机，借助塔机自身的特点实现抓斗的水平和竖直方向的运动。通过液压油缸的活塞杆伸缩实现抓斗的闭合和张开。整机运用无线遥控技术，站在地面手持无线遥控操作台，即可实现起升、回转、变幅和液压抓斗的张开、闭合动作。

2 设计思路

虽然此类型塔机用于水利清污，但主要结构仍参考正常的塔机结构。考虑到塔机使用时间为汛期和日常不定期水面漂浮物清理，确定各机构使用级别为：起升机构为M1，变幅机构为M1，回转机构为M2，塔机额定起重力矩为31.5t·m。

2.1 基础形式

采用预埋螺栓混凝土基础，通过塔机整机计算确定基础预埋外形尺寸为2.8m×2.8m，高度为1m；预埋螺栓规格为M30，共8根，预埋基础混凝土强度至少达到C35；基础顶面倾斜度、平面度小于等于千分之一，且高于地面100mm。若基础安装在河闸桥墩中，则基础规格和安装方式需按实际情况定制。

2.2 塔身结构

塔身借用公司QTZ5010塔机标准节结构形式，采用角钢作为主弦杆整体拼焊而成，将塔身与下支座连为一个整体，塔身整体高度近7m。下支座与上支座通过回转支承连接，回转支承型号为QW.900.25，上支座上部设置两个平台，用于塔机的安拆和维修。上支座上方连接一个过渡节，采用方管作为主弦杆拼焊而成，腹杆采用双人字结构，确保结构稳定。

2.3 臂架与起重臂

根据实际使用需要，为提高塔机实用性，塔机上部结构采用平头形式，通过在过渡节上方设置臂架连接起重臂和平衡臂。根据实际需要起重臂长度确定为10m，平衡臂长度为4.2m，平衡臂后方安装两块平衡重，总重1.45t。

2.4 安全装置

塔机虽整体结构较小，但仍需按国家安全规范要求设置起重量限制器、起重力矩限制器、限位器等安全装置。

2.5 电气系统

整机专配无线遥控技术，即塔机上支座未设置司机室，操作人员站在地面手持无线遥控操作台，可实现塔机的起升、回转、变幅运动和液压抓斗的张开、闭合动作。

3 关键结构设计

3.1 液压抓斗设计

通过实际使用环境了解，此塔机需用于河闸拦污栅周围水面水草、漂浮垃圾的清除。因此，需要特制抓斗用于水草、垃圾的清除。通过调研并借鉴河闸上常用的清污设备，设计一种液压抓斗完成此功能。

液压抓斗需具备塔机吊钩部分功能，即在抓斗上部设置一排滑轮，滑轮排列与传统塔机吊钩相同。平衡臂上安装的起升机构钢丝绳通过变幅小车滑轮过渡后穿绕至抓斗上部滑轮，液压抓斗随起升机构的动作上下移动。

参考工程抓斗结构形式，确定采用贝形抓斗形式，在两瓣抓板侧面安装液压油缸控制抓斗动作。考虑到抓斗需降落至水中作业，在抓斗侧面设有排水孔，以减少水面浮力。因抓斗抓取水草或漂浮垃圾都较为软散，特在抓板底部设置锯齿边，方便抓斗抓取漂浮物。

在抓斗结构顶板位置开孔，油管通过孔洞与液压油缸连接，考虑到抓斗长时间使用后油管与液压油缸接头因拉拽产生松动，特在顶板上方设置油管固定架，将一小段与液压油缸连接的管路固定，可解决油管接头松动问题。

通过以上方案，设计抓斗结构如图1所示。

图1 液压抓斗结构示意图

3.2 油管管路设计

通过以上方案确定了抓斗结构和操纵形式，因正常建筑施工塔机只在顶升系统中使用液压设备，设备位置明确，液压油管无需特殊固定。由上述抓斗可见，需特别设计液压油管的布置方式，对设计提出了新的要求：①液压油箱布置在上下支座附近或地面，考虑到工作人员操作和检修的便利性，确定将液压油箱布置在地面并与驾驶室放置在一起，方便工作人员操作和检修。②液压油管需随变幅小车的运动前后移动，需设计特殊结构固定并使油管随变幅小车运动。③需改变起重臂上弦杆结构，使油管可沿上弦杆移动。

针对以上拟解决关键问题，塔机结构设计思路如下：

仍使用常规结构变幅小车，使变幅小车在起重臂下弦杆上移动，考虑到起升钢丝绳由变幅小车穿绕至抓斗，抓斗上液压油缸使用油管亦连接至变幅小车。此时需在变幅小车下方设置油管过轮，并保证变幅小车结构与油管无干涉。

在变幅小车上方设置一个平台，平台内设置油管卷筒，油管卷筒的作用是：从外部接入油管，然后将液压油接入卷筒内缠绕的油管中，卷筒上的油管通过变幅小车过轮向下与抓斗上液压油缸连接。当抓斗向下运动时，油管通过重力绕卷筒向下移动，当抓斗上升时，油管通过卷筒内设置的弹簧缠绕在卷筒上。通过设置油管卷筒，解决了油管上下移动的问题。

通过上述设计，已解决油管上下移动问题，现需解决油管水平移动问题。公司技术人员创造性地借鉴机床上常用的电缆拖链装置，将油管设置在拖链之中，拖链可牵引油管转动和水平移动。

塔机起重臂上弦杆常用的是圆管或者方管，但拖链无法有效固定在上述型钢之上，针对此问题，选用槽钢作为起重臂上弦杆，通过槽钢槽口作为拖链轨道，可有效解决上述问题。

图2 现场拖链布置图

最终在保持变幅小车原有特性的同时，在变幅小车正上方增加平台，平台上设置油管卷筒。另选用槽钢作为起重臂上弦杆，采用拖链固定和牵引油管。通过以上一系列创新设计，解决了油管的固定和移动问题，取得了很好的实际效果，另外在塔身及过渡节结构上增加过轮，将油管牵引至地面，达到预定目标。油路设计图如图3。

图3 油路示意图

通过以上所述关键设计，可满足塔机清除河闸拦污栅周围水面水草、漂浮垃圾的实际使用需求。总结来说，通过设置自动复位油管卷筒实现液压抓斗的液压油管及时随着液压抓斗自动上下移动，同时避免较长的液压输油管耷拉和与牵引绳的缠绞，从而实现对液压油缸提供有效的动力源，使用起来更加安全；通过设置油管拖链和上弦杆结构，满足液压油管的水平移动需求。整个结构设计合理，具备简单、新颖，便于安装、检修等特点。

4 结语

从国内塔机使用情况来看，绝大多数塔机用在建筑施工中，主要用于建筑工地施工材料的吊装。我公司设计制造的此类带有液压抓斗的塔式起重机（图4所示），整机充分利用塔机自身的特点，即通过塔机起升、回转、变幅运动实现抓斗水平和垂直方向运动；通过液压油缸的活塞杆伸缩实现抓斗的闭合和张开，从而达到清理河闸拦污栅处漂浮物的目的。此项设计涉足了水下作业，扩大了塔机的用途，具有较好的市场前景。

图4 塔机整体结构图