郭振坤，李 斌

（沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

近幾年所出現(xiàn)的平頭式塔機大多數(shù)都采用起重臂和平衡臂通聯(lián)的形式，或通過塔頂架連接起重臂和平衡臂。在起重臂與平衡臂結(jié)合部，都要有桿件1 和桿件2 這2 根截面明顯大于兩側(cè)腹桿的桿件構(gòu)成一個三角形，作為承受起重臂上弦桿和平衡臂上弦桿拉力差的塔頂架，如圖1 所示。

圖1 三角形塔頂架

塔頂架可以直接鉸接到上轉(zhuǎn)臺上，也可以與起重臂或平衡臂構(gòu)建到一起。無論采用哪種方式，對于起重臂和平衡臂的受力狀態(tài)都沒有影響。但塔頂架頂部的位置對構(gòu)成塔頂架的桿件本身以及對下部兩支點的作用力都有影響。

本文研究這類三角形塔頂架頂部的位置與受力狀態(tài)的關(guān)系，為這類結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 塔頂三角架兩根桿件軸力

塔頂三角架2 根桿件軸力如圖2 所示。

圖2 塔頂受力分析圖

塔頂架所受的載荷主要是起重臂和平衡臂上弦桿的拉力差ΔF，圖2 給出了兩上弦桿拉力示意圖，則拉力差ΔF=Fs2-Fs1。

Fs1是平衡臂側(cè)上弦桿的最大拉力值，對于任意一臺參數(shù)固定的塔機基本上都是固定值，ΔF的大小取決于起重臂上弦桿最大拉力Fs2的大小。由于在平衡重的設(shè)計中，通常采用最大滿載前傾力矩等于空載后傾力矩，實質(zhì)上是平衡臂一側(cè)的配重與自重所產(chǎn)生的總后傾力矩在平衡了起重臂一側(cè)全部自重載荷產(chǎn)生的前傾力矩的基礎(chǔ)上，又平衡了活動載荷產(chǎn)生的最大前傾力矩總量的1/2。由此可得在最大起重量所能達到最大幅度時，ΔF為指向起重臂方向的作用力ΔF1

φ2——起升動載系數(shù)；

Pq——吊重、吊鉤、小車和鋼絲繩所產(chǎn)生的載荷；

R1——活動載荷的工作幅度；

H——三角形塔頂架的計算高度；

L——三角形塔頂架的計算寬度；

Gcg——變幅小車和吊鉤自重產(chǎn)生的載荷；

Rmin——變幅小車所能達到的最小幅度；

ΣGpi——平衡臂、配重、起升機構(gòu)、電氣柜自重載荷之和；

ΣGbi——起重臂自重載荷。

在塔機空載狀態(tài)且起重小車處于最小幅度，吊鉤上升到最大高度，則ΔF為指向平衡臂方向的作用力ΔF2

由于動載系數(shù)φ2>1，所以有

對于三角形塔頂架而言，其受力如圖2 所示，F(xiàn)z1、Fz2分別為1 號和2 號兩桿件的軸力，Lx為B點到塔頂架頂點的水平距離，Lz為B點到1號桿件的垂直距離，由幾何關(guān)系可得

對B點取力矩平衡可得

根據(jù)圖2 中A點幾何關(guān)系可得

式中，α—1 號桿與上弦桿所成夾角。

式中，β—2 號桿與上弦桿所成夾角。

由A點豎直方向上力平衡得

圖3 是以PTT7020 塔機的塔頂參數(shù)繪制的塔頂架兩根桿件軸力隨著Lx的變化示意圖，其中Fz1和Fz2是前傾力矩在三角架兩桿件上引起的軸力，F(xiàn)′z1和F′z2是后傾力矩在三角架兩桿件上引起的軸力，Lx=0 時，2 號桿件為豎直桿件，1 號桿件為斜桿，屬于向前傾的直角三角形。當Lx=L時，1號桿為豎直桿，2 號桿為斜桿，屬于后傾的三角形。

圖3 三角架兩根桿件的軸力變化圖

從圖3 中可以看出，塔頂架在傾覆力矩作用下，Lx從0～L的變化過程中，桿件1 的軸力逐漸變小，桿件2 的軸力逐漸變大。說明塔頂架頂點的位置影響塔頂三角架桿件的軸力；從圖3 中的兩組圖線可以看出，后傾力矩在塔頂架上產(chǎn)生的軸力都小于前傾力矩在塔頂架上產(chǎn)生的軸力。

2 塔頂架設(shè)計方法的研究

2.1 三角形塔頂架截面參數(shù)

圖3 給出的是塔頂架兩根桿件1 和2 在前傾和后傾力矩作用下的受力狀態(tài)。在前傾力矩作用下，都有桿件1 受拉力Fz1，桿件2 受壓力Fz2作用。在空載后傾力矩作用下，桿件1 受壓力F′z1，桿件2 受拉力F′z2作用。一般塔機上1 號和2 號桿件的截面參數(shù)都是相等的。實際上根據(jù)塔頂A點位置的不同，采用等計算應(yīng)力設(shè)計法，1 號桿件的截面參數(shù)與2 號桿件的是不相同的。

從圖3可以看出無論塔頂A點處于任何位置，前傾力矩作用下兩桿件的軸力都大于后傾力矩在兩桿件上所產(chǎn)生的軸力。所以在設(shè)計上可以采用前傾力矩作用下選擇兩桿件的截面參數(shù)，然后用后傾力矩產(chǎn)生的軸力進行校核。

在前傾力矩作用下，1 號桿件的拉應(yīng)力σFz1為

式中A1——1 號桿件的截面積。

2 號桿件的計算壓應(yīng)力σFz2為

式中φ2——2 號桿件的穩(wěn)定系數(shù)；

A2——2 號件的截面積；

對于任意給定的Lx，令σFz1=σFz2，則有

式(11)給出的是2 號桿件截面參數(shù)相對1 號桿件截面積的比例關(guān)系。

當以σFz1=σFz2為設(shè)定計算應(yīng)力值時，兩桿件的截面參數(shù)就可以成為確定值。

對于后傾力矩的校核計算，可以只計算后傾力矩作用下，1 號桿件受壓的計算應(yīng)力，其計算應(yīng)力值應(yīng)滿足條件

式中φ1——1 號桿件受壓穩(wěn)定系數(shù)。

如果所選用的1 號桿件截面參數(shù)不能滿足式(12)的要求，應(yīng)調(diào)整1 號桿件的截面參數(shù)或截面形式，以提高穩(wěn)定系數(shù)φ1。

2.2 三角形塔頂架頂點位置

三角形塔頂架的形式不僅對自身的受力狀態(tài)有影響，而且還對下部支撐結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)也有影響。其下部的支點產(chǎn)生的水平力，用以抵抗起重臂或平衡臂下弦桿產(chǎn)生的水平力，以減小其對支座和塔頂架下弦桿的作用力。一般情況下，起重臂下弦桿產(chǎn)生的水平作用力要大于平衡臂下弦桿產(chǎn)生的水平力，在正常情況下都將塔頂架的三角形設(shè)計成后傾形式，使2 號桿能產(chǎn)生較大的水平力抵抗起重臂下弦桿的作用力。

圖2 中2 號桿件在B點產(chǎn)生的水平力為

根據(jù)式(13)，當Lx=L時，F(xiàn)′xz2=ΔF1，這是塔頂架中桿1 豎直、桿2 傾斜的直角三角形狀態(tài)，也有一些屬于三角形塔頂偏向后傾的設(shè)計，如使則

3 結(jié)語

本文以平頭式塔機三角形塔頂架為對象，依據(jù)塔機平衡重的計算方法，分析起重臂上弦桿和平衡臂上弦桿力差對三角形塔頂架兩根桿件上軸力的影響，研究塔頂架的設(shè)計方法，取得了以下成果。

1)建立了起重臂和平衡臂上弦桿軸力差的基本計算方法，并給出了計算表達式。

2）依據(jù)兩上弦桿軸力差，推導(dǎo)出了三角形塔頂架兩根桿件軸力計算的通用表達式。

3）給出了一種塔頂架兩根桿件截面參數(shù)的設(shè)計方法，可以作為塔頂架設(shè)計的一種理論依據(jù)。

4）分析了塔頂架頂點位置對桿件產(chǎn)生水平力的影響，并給出了塔頂架頂點位置與所產(chǎn)生水平作用力的關(guān)系。