内容提要：本文分析了液压自升式塔式起重机的顶升过程，介绍了顶升套架与其它相关部件的尺寸关系，以及顶升套架关键尺寸的设计方法。
关键词：外套架、标准节踏步、液压油缸、顶升横梁、爬升销轴、平台
1.引言：近年来，随着建设工程规模不断扩大、高层建筑的日益增多，液压自升式塔式起重机已经广泛应用于建筑施工中。但是塔机的机械事故和安全事故也时有发生，从事故分析来看发生在安装和拆卸过程中的比例比较大，纵观事故原因，主要是操作不当引起的，但是结构尺寸设计不合理和预防措施不完善也是原因之一。为使设计者和使用者对塔机的顶升有更深的了解，避免事故的发生，下面对液压自升式塔式起重机安装、拆卸中的核心部件—套架的结构尺寸设计的是否合理，结合计算和模拟顶升过程，与大家探讨。
2.顶升过程分析：现在以富友QTZ40塔机为例简单介绍外套架式液压自升式塔式起重机的顶升过程：将起重臂调整到正前方向（与引进梁同向），并把要加的塔身节按此方向在地面排好。吊起一个塔身节挂在引进梁小吊钩上，这时卸下下转台与塔身节之间的高强度螺栓。将顶升横梁两端的轴头放入踏步的槽内，开动液压系统使活塞杆伸出20～30 mm,使下转台与塔身节结合面刚刚分开，然后再使吊钩从臂根部向外走，观察套架前后方向的四个导轮与塔身间的间隙基本均匀（约2 mm）时变幅小车即停住。同时，要使回转电磁制动器起作用以保证起重臂不再左右摆动。将爬升销轴抽出后操纵液压系统使活塞杆继续伸出，直至顶升横梁两端轴头能担在上面一个踏步上时，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，此时爬升销轴应可靠地放在踏步上，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，然后再次使油缸外伸（轴头离开踏步后马上将爬升销轴抽出）直到塔身上方有能装入一个塔身节的空间。这时将挂在引进梁外端的塔身节引入套架内与塔身对正螺栓孔，然后缩回油缸至上下塔身节连接面接触，用高强度螺栓将两塔身节连接牢固，将引进吊钩拉至最外端，然后油缸继续缩回，使下转台落在新加的塔身节上，用高强度螺栓连接牢固。至此，完成了一次顶升过程。
由以上过程可以看出：标准节踏步、液压油缸、顶升横梁、爬升销轴等位置尺寸在整台塔机的顶升过程起着关键作用。
3.外套架尺寸设计浅析：套架中液压油缸型号选定以及顶升横梁、爬升销轴、滚轮等关键件定位尺寸的确定，首先应先知道以下几个尺寸（以引进梁式为例，如图一所示）：①标准
节高度H；②踏步圆弧中心与标准节上下两平面的距离h1、h2； ③标准节水平斜腹杆上平面到标准节上平面的距离A和水平斜腹杆的高度尺寸B；④下转台
底面到与套架连接孔中心的高度C；⑤下转台底面到水平腹杆下底面（引进梁上平面）的距离D；⑥引进梁上平面到引进吊钩内腔的距离E；⑦顶升横梁轴头与油缸支座中心距F；⑧踏步外沿上平面到踏步底面的距离T；⑨踏步槽（顶升横梁轴头）半径R。因为标准节踏步位置要与套架协调定位，为防止踏步与高强度螺栓干涉，所以确定踏步圆弧中心与标准节上下两平面的距离h1、h2还需要：①连接套长度G；②选用的高强度螺栓长度J、螺母厚度K；③踏步圆弧中心到踏步上下两平面的距离M、N。设计可以分六步来进行：
（1）确定液压油缸行程和安装距：先根据已知尺寸计算出引进标准节需要的最小空间L，由图二可以看出：
L = E － D － ( A ＋ B ) ＋ H ＋ 30 （公式一）
30——为引进时两标准节的间距
L也就是液压油缸的两次行程至少要顶升的距离，根据L可以确定需要的液压油缸的最小行程Pmin:
Pmin = L － H/2 ＋ Q （公式二）
Q——第一次顶升时的空行程（可以初定一个值，一般在40mm左右）
再根据最小行程Pmin选择液压油缸行程和安装距P。
同时，因为上下两层滚轮的间距越大，套架整体受力越好，所以可根据上滚轮最高不能超过标准节的上平面的原则，由L可以确定出上滚轮横梁的上极限位置。为防止顶升时滚轮高出标准节上平面，应留有一定余量。
（2）初定标准节踏步位置：为防止在连接高强度螺栓时踏步干涉，所以上下两层踏步的极限位置是：两塔身节连接后上层踏步上平面至少低于高强度螺栓下端面一个螺母厚度；下层踏步底面至少高于连接套上平面一条高强度螺栓长度。即：
h1min = J － G ＋ K ＋ N （公式三）
h2min = J ＋ G ＋ M （公式四）
在此范围内初定上下两踏步位置。
（3）初定油缸安装位置：油缸安装位置的定位方法是：塔机原始状态下，根据踏步外沿上平面确定顶升横梁轴头下缘的位置，再根据油缸的安装距和顶升横梁轴头与油缸支座中心距F向上推出油缸的安装位置。由于在顶升过程中顶升横梁要摆动，所以顶升横梁轴头下缘应由踏步外沿上平面向上移动间隙S。同时，可得出第一次顶升时的空行程Q为：
Q = T － M ＋ S ＋ R （公式五）
在确定油缸的安装位置时，适合顶升用的踏步有几个，应选择使套架整体结构和受力都比较合理的一个。从稳定性角度来分析，油缸安装位置越靠下在顶升时稳定性越差，所以应尽量选择比较靠上的踏步来确定油缸安装位置。在此过程中可以通过适当调整标准节踏步位置来确定油缸的安装位置，但不应超过公式三、公式四所确定的踏步位置极限。
（4）初定爬升销轴位置：确定爬升销轴位置的原则是：①在顶升换步时与顶升横梁轴头不干涉；②尽量地便于在套架主肢上生根定位。
在塔机正常状态时，爬升销轴应在踏步附近。如果爬升销轴在踏步槽上方，那么在第一次顶升时就会减少顶升高度，造成第一次顶升完毕换步时顶升横梁销轴低于踏步槽，无法进行第二次顶升。由此可以看出爬升销轴应低于踏步槽或与踏步槽同一位置。如果低于踏步槽，这样在第一次顶升时就会增加油缸行程，但是不应超过油缸的最大行程。即踏步槽和爬升销轴的最小中心距Umin 为0，最大中心距Umax为：
Umax = P － Q － H/2 （公式六）
在此范围内初定爬升销轴位置。
（5）验证以上尺寸，确定最终尺寸：根据以上初定的尺寸，可以通过模拟一次顶升过程来确定最终尺寸。如果发现有的结构不很合理，可作适当调整，但应遵循上述原则。
（6）确定平台位置：由以上确定的最终尺寸，根据人站在上层平台能够操作引进吊钩引进标准节，站在下层平台能够插爬升销轴、放置顶升横梁和紧固高强度螺栓的原则确定上下两平台的位置，并保证两层平台的间距至少为2000 mm。
4.举例说明：下面通过一个例子来看一下设计过程：根据客户需求设计一台QTZ40液压自升式塔式起重机，已知：标准节高度H = 2500 mm、标准节水平斜腹杆上平面到标准节上平面的距离A = 43 mm、标准节水平斜腹杆的高度尺寸B = 63 mm、下转台底面到与套架连接孔中心的高度C = 312 mm、下转台底面到水平腹杆下底面（引进梁上平面）的距离D = 118.8 mm、引进梁上平面到引进吊钩内腔的距离E = 300 mm、顶升横梁轴头与油缸支座中心距F = 45 mm、踏步外沿上平面到踏步底面的距离O = 122 mm、踏步槽（顶升横梁轴头）半径R = 25 mm、连接套长度G = 100 mm、高强度螺栓长度J = 270 mm、螺母厚度K = 27 mm、踏步圆弧中心到踏步底面的距离M = 122 mm、踏步圆弧中心到踏步上平面的距离M = 20 mm，需设计一套架，初定外套架外轮廓如图三所示，下面按上述六步来进行套架设计：
（1）确定液压油缸行程和安装距：根据公式一得出：引进空间L=300－118.8－（43＋63）＋2500＋30=2605.2 mm；取第一次顶升时的空行程Q = 45 mm，根据公式二得出：油缸最小行程Pmin =2605.2－2500/2＋45=1400.2 mm 。查油缸样本，选定安装距为1920 mm、行程为1402 mm的液压油缸（液压油缸和顶升横梁安装图如图四所示）。再由尺寸2605.2 mm确定上滚轮横梁的位置，初定上滚轮横梁距离套架顶部横梁2846 mm（留有76.8 mm的余量）。
（2）初定标准节踏步位置：由公式三、公式四得出：h1min = 260－100＋27＋20 = 207 mm 、h2min = 100＋260＋122 = 488 mm。初定标准节上踏步圆弧中心距离标准节上平面h1 = 405 mm 、h2 = 845 mm（如图五所示）。
（3）初定油缸安装位置：由安装尺寸可以看出，适合顶升用的踏步有A、B、C三个（如图六所示），现在选择最下面一个踏步A来看一下它的顶升过程。取顶升横梁轴头下缘与踏步外沿上平面间隙S = 12 mm，得出顶升横梁轴头下缘的位置，根据油缸的安装距和顶升横梁轴头与油缸支座中心距F向上推出油缸的安装位置（如图六所示）。由图六可以看出油缸定位的水平腹杆与上滚轮的水平腹杆距离太近，如果两腹杆和二为一，就必须油缸腹杆上移或者上滚轮腹杆下移。油缸腹杆上移踏步就要上移674 mm，即上一踏步下移576 mm（1250－674），但是造成了踏步超出位置极限；同时也减小了上下两层滚轮的间距，使套架整体受力较差，所以两腹杆不能合并。如果拉大两腹杆的间距，上滚轮腹杆位置已经达到上限，只能向下调整油缸定位腹杆和踏步位置，根据踏步的位置极限踏步向下最多移357 mm（845－488），腹杆布置还是不很合理。另外踏步A也不符合以比较靠上的踏步来确定油缸安装位置的原则，所以不能选择踏步A作为支撑点。
下面来看一下中间踏步B的顶升情况，将顶升横梁和油缸向上移动1250 mm（图七所示），在这一工况遇到和上一共况同样的问题，两腹杆的间距只有576 mm，油缸定位腹杆上移的位移量也只能是298 mm（405－107），下移的位移量也只能是357 mm（845－488），这一种工况也不是最理想的状态。
最后来看一下最上面踏步C：在这一工况油缸定位腹杆和套架上水平腹杆距离偏小（如图八所示），向下调整220 mm（如图九所示），踏步的位置尺寸也在尺寸范围之内（下踏步圆弧中心距离标准节下平面625 mm），这样既满足了上下两层滚轮的间距，也能使套架整体结构和受力合理。
（4）初定爬升销轴位置：由图九可以看出在套架高度范围内的踏步有D、E、F、G四个。D位置在第一次顶升完毕时，顶升横梁销轴在踏步槽内没有办法插爬升销轴；E位置在第一次顶升完毕收油缸换步时，爬升销轴在踏步槽内不能放顶升横梁销轴；G位置在第一次顶升完毕，没有可以支撑爬升销轴的踏步；所以符合定位原则的只有F位置。
由公式五得出: 第一次顶升时的空行程Q =130－122＋12＋25 = 45 mm，再由公式六得出:踏步槽和爬升销轴最大中心距Umax = 1402－45－1250 = 107 mm，初定爬升销轴中心低于踏步槽中心90 mm，即距离油缸定位腹杆中心889 mm（如图十所示）。
（5）验证以上尺寸，确定最终尺寸：根据已确定的定位尺寸，来看一下它的顶升过程。可分四个步骤进行（如图十一所示）：一、油缸伸出将顶升横梁销轴放到踏步槽内（有45 mm空行程）；二、顶升1340 mm（1250＋90），将爬升销轴插到踏步槽内，这时油缸的行程为1385 mm（1340＋45），小于油缸最大行程1402 mm；三、收回油缸放到另一踏步槽内同时抽回爬升销轴, 这时油缸上铰点距离和顶升横梁油缸支座2055 mm（1920＋90＋45），大于油缸安装距
1920 mm；四、将油缸行程释放到最大，顶升1267 mm（1402－90－45）。至此两次顶升过程共顶升2607 mm，符合安装要求。不过在步骤四图中可以看出上滚轮位置和标准节上平面已基本持平，为了防止滚轮冒出，所以将上滚轮横梁位置下调100 mm。
（6）确定平台位置：根据平台定位原则确定上层平台距离套架上水平腹杆1650 mm，上下两层平台间距2200 mm（如图十二所示），这样人站在下平台距离爬升销轴1721 mm，距离顶升横梁初始位置606 mm，距离高强度螺栓位置1186 mm。 至此套架中的关键尺寸已经确定，可以根据这些尺寸来确定其他零部件的尺寸，经整理得出详细套架图（如图十三所示）、标准节踏步定位图（如图十四所示）。
5.结论：实践证明按上文提出的方法设计出的套架，能够保证塔机的正常使用和安装拆卸，结构比较合理，安全可靠，通过校核。 |
