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塔机设计纵横谈(二)


                                                    —塔式起重机顶升横梁及踏步设计      
山东富友公司 王积永  毛瑞年
 
  内容提要:研究,分析踏步和顶升横梁的受力情况,明确踏步和顶升横梁结构和尺寸的确定方法。
 
  1. 前言 建筑行业的飞速发展,带动塔机产业的飞速发展,塔机生产企业将近200余家,塔式起重机的设计技术和生产技术有了很大的提高,塔式起重机在使用过程中的事故率已经很少,但仍然存在着一些不尽人意的地方,如在装卸过程中要求操作规程比较严格,违反操作规程极易产生恶性事故,而我国塔式起重机安装人员的技术素质还比较低,有待进一步提高,为此设计和生产部门就应该进行设计改进,降低塔式起重机安装要求,增加其自动化程度,降低事故率。为此我公司对几起塔式起重机顶升、拆卸事故及塔式起重机顶升、拆卸有关的零部件进行了分析,提出了改进方案与各位同仁共同探讨。
 
  2.顶升过程分析:为弄清楚塔机顶升过程的安全因素,首先对外套架式液压自升塔式起重机的顶升过程作简单的描述:①将顶升横梁两端的轴头放入踏步的半圆槽内;②启动动液压系统使活塞杆伸出,找正塔机顶部的平衡;继续启动液压系统直至两个爬升销轴能担在上面一个踏步上;③将两个爬升销轴推进同时操纵换向阀停止顶升而后转为活塞杆收缩,直到顶升横梁两端的轴头能放入上面一个踏步的槽内为止;④再次使油缸活塞杆伸出,直到塔身上方恰好有能装入一个标准节的空间。然后引入标准节,由以上过程可以看出:标准节踏步、顶升横梁和爬升销轴等件在塔机的顶升过程起着关键作用。其中,关于爬升销轴的计算在富友第二届塔及技术交流会上的《塔式起重机顶升机构的设计》一文中有较详细的计算方法,在这儿不再赘述,下面主要讨论踏步和顶升横梁结构的改进和计算。
 
  3. 踏步的设计:中小型自升式塔式起重机上,踏步是顶升环节的重要部件之一,它的强度计算和结构显得尤为重要。
 
  3.1  踏步的强度计算:踏步的计算包括踏步焊缝剪应力和踏步与顶升横梁轴头的接触应力的计算两部分;
  3.1. 1首先计算焊缝剪应力:踏步类似于建筑结构中的牛腿,图一是富友公司QTZ40塔机踏步的结构尺寸和受力分析简图,从受力简图上可以看到,载荷Q对焊缝产生剪切应力之外,还应该考虑轴头中心到主肢的距离e产生的弯距对焊缝的影响,用下面的公式来计算焊缝的当量剪切应力:
τ= ≤[τw]
    其中,Q:单踏步承受的顶升重量,205000/2=102500N
 e: 轴头中心到焊缝型心的距离,55mm
hf:焊缝高度,142mm
lm:焊缝长度,14mm
 [τw]:焊缝许用剪切应力,101.2MPa.
   得τ=65.2MPa< [τw]    可以满足要求。
图一
  3.1.2踏步接触应力计算:根据材料力学的公式,不同直径的半圆柱体产生的接触应力
σcd=0.418 =343.5Mpa
其中,R1,R2分别是轴颈和踏步的接触面圆弧部半径,R1=25mm,R2=25.5mm,
Q为单踏步承受的顶升重量,Q=102500N;
E:弹性模量,2.1x105N/mm2;
L:接触面宽度,25mm;
踏步材料:Q235A,许用接触应力   [σcd]= 276Mpa.
   从计算上来看,计算应力大于许用应力,因此,我们会发现踏步或多或少有塑性变形的痕迹,但是,踏步一旦产生了塑性变形,接触面增大,接触应力回随之迅速下降,经过计算,变形量为0.1mm时,接触应力为147Mpa,小于许用应力,不会再有继续变形的可能。
 
  3.2  踏步结构的改进:如图一示,A处为一平台,如果安装时不注意,可能会将轴头放在平台上,而不是按照操作规程落在踏步的槽内,如图二示:大家非常容易的可以看到,这并不是一个稳定的结构,开始顶升时轴头可能由于摩擦力滑不下来,但就怕顶升过程中由于震动等原因突然滑下,容易酿成事故,为此我公司在平台上设计了斜面,目的是不让轴头停留在平台上,从一开始顶升就滑到踏步的内侧,有效的避免事故的隐患。如图三所示:
                
                           图二                                         图三
  下面计算斜面的最小角度:图四是斜面角度计算的示意图。其中
Q:顶升横梁轴头作用在踏步斜面上的力;
β:顶升油缸与垂直面的角度;
α:斜面与水平面的夹角;
N:Q分解到斜面上的正压力;
F:Q分解的沿斜面的下滑力;
可以得到如下关系式:
   N=Q*cos(α+β);
   F=Q*sin(α+β);

图四
要使轴头自动下滑的条件是:下滑力F大于正压力N产生的摩擦力,有下面的公式:
    F>N*f    其中,f:轴头和踏步之间的滑动摩擦系数,f=0.15
   整理以上公式得到α>arctan0.15-β=8.5O
    顶升油缸与垂直面的角度一般在2.8—4O之间,  得到斜面与水平面的夹角α>5.7 O
    设计时可以取α=6 O
也就是说,当踏步外侧有一个6 O的斜面时,在理论计算上,顶升横梁的轴头会自动的滑落到踏步槽内。
 
  4,顶升横梁:除去踏步之外,在塔机顶升时,顶升横梁也是一个也是一个核心的受力件。图五是富友公司QTZ40塔机的顶升横梁的结构图:
图五
  4.1 对顶升横梁的断面进行分析,与图面上垂直的方向(即厚度方向)尺寸较小,抵抗弯距的能力较弱;另一方面,油缸销轴与顶升横梁的平面平行,顶升横梁可以绕销轴旋转。这样油缸和顶升横梁的平面之间不可避免的会有一个角度,正是由于这个角度的存在,作用在顶升横梁的顶升力会产生水平方向的分力;水平分力的存在导致了横梁较大的应力。对于该横梁,在富友第二届塔及技术交流会上的《塔式起重机顶升机构的设计》一文中有较详细的计算,即当顶升横梁与塔身平行摆放,与油缸轴心线有3.8o夹角时,图中B—B断面的弯曲应力为172.1MPa,其中因水平分力的作用产生的弯曲应力为61.4MPa。由此可见水平分力对顶升横梁强度的影响。
因此在使用说明书提出了在顶升过程中扶正顶升横梁的要求,即顶升过程中,要求顶升油缸的大平面与塔身平行或尽量的向塔身靠拢,确保顶升油缸平面与油缸轴心线的夹角不大于3.8o,保证顶升横梁的安全。但是在塔机在顶升过程中,操作工人往往不重视扶正的重要意义,一旦顶升横梁与油缸的夹角过大时,顶升横梁很容易过载,从而留下事故隐患。富友公司经过仔细的分析研究,对QTZ40的顶升横梁的结构进行了改进,使之在顶升时顶升横梁的平面与油缸在一定程度上自动扶正,避免了人为因素的影响。
在进行分析的时候,我们考虑了两种不同的液压油缸活塞杆接头形式:一种形式是单纯的销轴孔,另一种是销轴孔内带有关节轴承,如图六示,
图六
  4.2 经过我们调查发现,生产厂家经常采用的液压油缸的活塞杆销轴孔内有关节轴承,顶升横梁不能自动找正,于是我们又提出了如图七所示的顶升横梁的结构方案:
图七
本横梁与图五看到的原设计的横梁相比,主要区别在于重新设计计算了销轴中心到轴头中心的高度尺寸H,本方案的目的是如果安装时不注意,顶升横梁向外了,在高度尺寸H的作用下,顶升横梁会找正到垂直位置。
现在分析一下高度尺寸H和顶升横梁自动找正的之间的关系(见图八):油缸的推力载荷以角度β作用在销轴孔上(也就是尺寸H的下端),相当于推力载荷Q1(Q1=Q)通过轴头中心(尺寸H的上端)作用在踏步槽内,加上一个绕轴头中心的力矩M. 顶升横梁自动找正的条件为力矩M大于或等于因为轴头与踏步槽的滑动摩擦力产生的阻力距M1。
 
M=Q*H*sinβ.
M1=Q*f*R
f:轴头和踏步之间的滑动摩擦系数,0.15
R:轴头半径;25mm
整理公式得到H和角度β的函数关系:                    
图八
H≥   或  β≥arcsin
从这个关系式中,可以看到由于轴头和踏步槽之间的滑动摩擦的存在,无论H多大,角度β都不可能为0,也就是说,依靠高度H不能完全找正,油缸的中心线和顶升横梁的总是存在角度β,从而会使顶升横梁产生水平侧向力。我们的目的是计算出最小的水平分力,来保证横梁的安全。
按照上面的公式计算,当H=60mm时   β=3.58 O
换句话可以这样说,销轴中心到轴头中心的高度尺寸H=60mm时,不论安装时,顶升横梁是否扶正,顶升时都会自动找正到3.58O以内。
关于本方案中横梁的强度计算,在第二届塔机技术交流会上《塔式起重机顶升机构的设计》一文中有较详细的计算方法和结论,这儿不再过多的解释。
4.3 有时候,厂家购买的油缸活塞杆没有关节轴承,按照这种形式我们又设计了另外一种改进型顶升横梁,见图九:
 
图九
与原来的横梁相比有两处改动:一是将油缸与顶升横梁连接销轴的方向旋转90O,与顶升横梁的大面垂直,横梁能够沿着左右方向自由绕销轴摆动,可以使两端轴头同时落在踏步槽内;沿着大面的垂直方向能够克服轴头的摩擦力随油缸的轴线一起摆动,避免了水平分力引起的弯曲应力;二是由于不存在水平力,可以将横梁的厚度由100mm改为60mm,可以保证横梁随油缸绕踏步半圆孔转动时与塔身的主肢和腹杆不干涉;
根据新的结构,对顶升横梁的强度作计算。
计算条件:顶升重量:G=205000N;
          踏步间距:L=1356mm;
          材料:Q235B
从图九可以看出,我们需要校核A—A和B—B两断面的弯曲应力和剪切应力,下面分别计算:
根据材料力学的有关公式,经计算A—A和B—B两断面的弯距
MA=G*(1386/4)=7.1x107N.mm
MB=G*(1386/2-200)/2=5.05x107N.mm
      
图十                           图十一
 
图十是顶升横梁的A—A断面图,可以用积分的方法计算出该断面的截面特性;
惯性距距IAZ=2*( +
=2/3*(32*1083+60*(1243-1083))=5.28x107 mm4,
抵抗距WBZ= IAZ/124=4.25x105 mm3;
 
图十一是顶升横梁的B—B断面图,同样可以用积分
的方法计算出该断面的截面特性;                                         
 
惯性距IBZ=2*( +
=2/3*(16*1083+60*(1243-1083))=3.93x107 mm4
抵抗距WBZ=IBZ/124=3.17x105 mm3;
由此可计算出两断面的应力:
σA=MA/ WAZ=167Mpa
σB=MB/ WBZ=159Mpa
顶升横梁的材料为Q235B,按载荷组合B计算许用应力,
许用抗压弯应力: [σ]= σs/1.34=235/1.34=175.4Mpa;
计算应力均小于许用应力,因此A—A和B—B断面强度满足使用要求。        
 
  5,结论:本文在理论上探讨了塔式起重机踏步的计算方法,并改进了它的结构形式,根据不同的油缸活塞杆连接方式设计了两种顶升横梁,这项研究成果使得结构上更加合理,为塔式起重机顶升作业的安全提供了可靠的保证。

 

来源:山东富友公司  作者:毛瑞年  日期:2007/10/25   
 

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