塔式起重機(jī)頂升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安全

1、塔式起重機(jī)頂升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安全重慶升立塔機(jī)有限責(zé)任公司 陳雪萍無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，塔式起重機(jī)在現(xiàn)代化建設(shè)中都起作非常重要的地位。它是現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步的一個(gè)標(biāo)志，是人類(lèi)建設(shè)不可缺少的重要設(shè)備，它的高效性、安全穩(wěn)定性是塔機(jī)行業(yè)較普遍關(guān)心和注意的問(wèn)題。在我國(guó)每年因塔機(jī)安全方面引起的傷亡事故較多，給不少的家庭和社會(huì)造成了嚴(yán)重的影響和巨大的損失。為了減少或避免事故的發(fā)生，在塔機(jī)整體設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各相關(guān)參數(shù)，以人為本、安全第一的設(shè)計(jì)觀(guān)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)計(jì)。我在從事塔機(jī)頂升部分設(shè)計(jì)工作時(shí)就有所注意，現(xiàn)將有關(guān)塔機(jī)頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安全的經(jīng)驗(yàn)和心得作一小結(jié)，以供大家參考，若有不足處請(qǐng)給予指出。塔機(jī)頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安全可歸結(jié)為

2、以下幾點(diǎn)：一.頂升系統(tǒng)的相關(guān)位置、尺寸的關(guān)系每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)兩頂升塊間的中心距離、下頂升塊與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱下端面的距離、頂升梁的油缸軸與頂升軸間的距離、頂升支承梁及油缸座板和制動(dòng)器座板中心在爬升套上的位置尺寸、油缸的安裝尺寸、以及下支座短立柱尺寸都會(huì)直接影響整個(gè)頂升、加節(jié)過(guò)程的順利完成。其中影響的關(guān)鍵尺寸是圖1 頂升系統(tǒng)的相關(guān)位置、尺寸關(guān)系圖標(biāo)準(zhǔn)節(jié)兩頂升塊間的中心距離、下頂升塊與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱下端面的距離、頂升梁的油缸軸與頂升軸間的距離、頂升支承梁及油缸座板和制動(dòng)器座板中心在爬升套上的位置尺寸，在已確定頂升梁的油缸軸與頂升軸間的距離時(shí)，可暫確定頂升梁軸中心與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)頂升塊中心的距離取為3060mm、止動(dòng)器軸心

3、與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)頂升塊中心的距離取為1030mm，又給出油缸的安裝尺寸，從而即可確定爬升套上頂升支承梁及油缸座板和制動(dòng)器座板中心尺寸了，同時(shí)考慮止動(dòng)器的安全剛度問(wèn)題，即止動(dòng)器不宜太長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)則減弱其強(qiáng)度，使之易彎曲變形、折斷引發(fā)塔機(jī)頂升過(guò)程的安全事故。另外，頂升梁軸中心與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)頂升塊中心的距離、止動(dòng)器軸心與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)頂升塊中心的距離的取值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響頂升的有效行程、頂升和換肩的次數(shù)，從而使效率降低。頂升系統(tǒng)的相關(guān)位置、尺寸的關(guān)系如圖1。二. 頂升（側(cè)頂）時(shí)的水平分力與垂直分力在塔機(jī)頂升過(guò)程中，油缸與塔身（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）之間成在一定的夾角，由于夾角的成在使得在頂升時(shí)必然產(chǎn)生兩個(gè)方向的受力，即水平分力和垂直分力

4、，如圖2所示。圖2 水平分力、垂直分力與夾角等的關(guān)系圖1. 水平分力F1在它的作用下，套架有遠(yuǎn)離塔身中心的趨向，使塔身產(chǎn)生一個(gè)傾翻力，削弱了塔機(jī)的穩(wěn)定性。水平分力F1是一個(gè)有害于塔機(jī)安全的負(fù)面力，應(yīng)將其減小或削弱。2. 垂直分力F2在它的作用下，套架有沿塔身軸心線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這個(gè)力正是頂升所需要的向上的頂升推力，它的大小決定著塔機(jī)能否向上頂升、進(jìn)節(jié)的關(guān)鍵動(dòng)力。垂直分力F2是一個(gè)有有利于塔機(jī)安全頂升的正面力，應(yīng)將其加強(qiáng)。3. 水平分力和垂直分力與油缸與塔身（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）之間成在一定的夾角的關(guān)系由圖2可以得出：水平分力F1=FSin，垂直分力F2=FCos，而油缸與塔身（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）之間成在一定的夾角

5、（總在090°之間變化）的變化從而引起水平分力F1和垂直分力F2的變化。從前面的分析知道水平分力F1是有害的負(fù)面力、垂直分力F2是有利的正面力。在油缸的承載能力范圍內(nèi)，為了使頂升安全可靠，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小F1、增大F2，即F1越?。ǖ豢赡転榱悖┧C(jī)頂升越安全平穩(wěn)、F2越大塔機(jī)的頂升力量越好。減少或削弱水平分力F1、增大垂直分力F2的方法可歸納如下：A 減小油缸與塔身（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）之間成在一定的夾角，可減弱水平分力F1、增大垂直分力F2；B 在油缸及頂升梁不與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的的任何部位發(fā)生干涉的前提下，減小頂升塊中心到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱中心的距離d，也可減少或削弱水平分力F1、增大垂直分力F2；C 所

6、用頂升油缸的安裝尺寸對(duì)水平分力F1和垂直分力F2也有一定的影響。安裝尺寸L減小，油缸與塔身（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）之間的夾角也隨之減小，從而使水平分力F1減弱、垂直分力F2增大。三. 塔機(jī)頂升過(guò)程中上下行程區(qū)內(nèi)的干涉塔機(jī)頂升過(guò)程中上下行程區(qū)內(nèi)所產(chǎn)生的干涉，對(duì)塔機(jī)頂升、進(jìn)節(jié)的安全穩(wěn)定性同樣不可忽視，必須防止和避免其產(chǎn)生。塔機(jī)頂升過(guò)程中上下行程區(qū)內(nèi)的干涉主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1. 油缸連接軸與頂升平臺(tái)的干涉因?yàn)橛透装惭b在頂升梁上的油缸連接耳板座上，油缸連接耳板座由兩塊耳板組合而成，其厚度即是兩耳板的厚度、兩耳板間的距離（油缸頭的安裝尺寸）。油缸連接軸與頂升平臺(tái)的是否發(fā)生干涉，則起決于油缸連接軸的長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上頂升

7、塊寬度尺寸以及頂升梁的總體厚度尺寸，在設(shè)計(jì)頂升平臺(tái)的安裝位置時(shí)，應(yīng)考慮頂升平臺(tái)的內(nèi)邊緣與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱中心之間的距離要大于油缸連接軸的長(zhǎng)度的一半 + 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上頂升塊寬度尺 + 頂升梁的總體厚度，也及是頂升平臺(tái)的內(nèi)邊緣不得與頂升過(guò)程中的頂升油缸連接軸發(fā)生相擦、相碰的干涉現(xiàn)象，否則頂升過(guò)程就存在安全隱患，故應(yīng)防微杜漸，消除安全隱患。2. 頂升梁兩軸端距尺寸的確定頂升梁兩軸端距尺寸應(yīng)滿(mǎn)足：A 應(yīng)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上水平方向兩頂升塊之間的位置要求，即應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上水平方向兩頂升塊之間的距離尺寸（包括兩頂升塊的厚度）；B 防止頂升梁兩軸端與爬升滾輪座耳板側(cè)面的干涉；C 注意頂升梁兩軸端與兩頂升塊外邊應(yīng)有一定的尺寸富

8、余量，即頂升梁兩軸端之間的距離等于兩頂升塊外邊尺寸 + 510mm。頂升梁兩軸端之間的距離過(guò)長(zhǎng)則易與爬升滾輪發(fā)生干涉，引發(fā)危險(xiǎn)；頂升梁兩軸端之間的距離過(guò)短，當(dāng)頂升過(guò)程中頂升梁不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)即偏向頂升時(shí)，頂升軸則易從頂升塊弧槽中偏滑脫出，導(dǎo)致頂升單邊受力，使整個(gè)塔機(jī)傾翻倒塔，造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故，這是塔機(jī)必須避免的。這樣的事故最近就曾發(fā)生過(guò)，因此要引起特別的重視。3. 爬升滾輪與頂升塊焊縫的干涉爬升滾輪的輪面（接觸面）寬度與頂升的安全穩(wěn)定性有關(guān)。在不影響頂升穩(wěn)定性的同時(shí)，必須考慮爬升滾輪輪面寬度應(yīng)滿(mǎn)足不與頂升塊焊縫發(fā)生干涉為宜。例如我司的塔機(jī)就有前后爬升滾輪之分，靠頂升塊一方的滾輪輪面較背離頂升塊

9、一面的滾輪輪面窄，其前提是不影響爬升穩(wěn)定性。爬升滾輪一旦與頂升塊焊縫產(chǎn)生干涉，則會(huì)導(dǎo)致滾輪滾道高低不平使?jié)L輪跳動(dòng)大，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)橫斷面的沖擊力，使塔機(jī)頂升不能平穩(wěn)過(guò)渡運(yùn)行，塔身整體波動(dòng)，塔機(jī)的安全性就受到嚴(yán)重的影響，應(yīng)該防止和避免。4. 其他事項(xiàng)A 在塔機(jī)頂升過(guò)程中必須派專(zhuān)人監(jiān)控頂升梁軸的正確落位。頂升時(shí)派人扶持頂升梁，使其較為平穩(wěn)、正確地落入頂升塊弧槽內(nèi)。B 增加爬升套導(dǎo)向長(zhǎng)度，也可增加塔機(jī)爬升穩(wěn)定性，提高爬升套立柱的剛度，其導(dǎo)向距離可取大于2400mm。四. 換肩止動(dòng)器的安全應(yīng)力與止動(dòng)器的形式、尺寸常見(jiàn)的換肩止動(dòng)器一般有兩種形式：直條式（見(jiàn)圖3a）和彎折式（見(jiàn)圖3b）。1. 直條式主要承

10、載壓力，受力好，制作簡(jiǎn)單易于加工，但頂升換肩是穩(wěn)定性差易來(lái)回?cái)[動(dòng)；止動(dòng)器中心長(zhǎng)度L不宜太長(zhǎng)，否則會(huì)減弱止動(dòng)器的剛度，使之產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致塔機(jī)頂升換不了肩，頂升不能順利完成，同樣是塔機(jī)的安全隱患。2. 彎折式主要承載彎矩作用，剛度不太好，制作工加工藝繁，但頂升換肩是穩(wěn)定性較好，不產(chǎn)生擺動(dòng)。止動(dòng)器中心長(zhǎng)度L不宜太長(zhǎng)，否則產(chǎn)生的彎矩大，減弱其剛度。3. 止動(dòng)器所選用的材料為Q235-C，其許用應(yīng)力s=170Mpa ，在設(shè)計(jì)止動(dòng)器時(shí)，其所受的最大應(yīng)力s=170Mpa ，這樣才能保證安全。 圖4 (b) 彎折式圖4 (a) 直條式五. 頂升油缸的選型計(jì)算所選頂升油缸的大小可由計(jì)算得到。頂升油缸的大小直接影響油缸的工作能力，也影響塔機(jī)的頂升、進(jìn)節(jié)能否進(jìn)行，故須對(duì)其進(jìn)行正確的選型。以QTZ60塔機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明（我司一般選用P=20MpaD的油缸）：現(xiàn)設(shè)QTZ63塔機(jī)上部重量（包含配重量）為G噸（即G×10000N）；油缸橫截面上產(chǎn)生的推力為F牛噸；又 F=P.S=D.D.P/4 （見(jiàn)圖4）P=20Mpa0N/mm2要使所選油缸產(chǎn)生的推力能完成頂升過(guò)程，則必須FG，即 D.D.P/4G可推出D=25.34（mm）其中： P油缸產(chǎn)生的壓強(qiáng)Mpa（N/平方m