塔式起重机顶升机构研究

QTZ63 型塔式起重机顶升机构的设计1.引言二次世界大战结束以后，由于许多国家夷为废墟，庞大而艰巨的家园重建工作，要求建筑施工实现机械化，以加快建设进度。作为建筑机械化主导机械，塔式起重机得以应运而迅猛发展。1.1 我国塔式起重机行业发展概况我国塔式起重机行业于 20 世纪 50 年代开始起步，1953 年由原民主德国引进建筑师-型塔式起重机（Baumeister ）,1954 年抚顺试制成功第一台 2-6t 塔式起重机，仿建筑师- 型。初名 TQ2-6 塔式起重机。首次在北京用于大型砌块民用建筑施工，并取得成功。1965 年列入国家生产计划的沈阳建机厂开始批量生产红旗-16 型塔式起重机。20 世纪 80 年代随着改革开放和国际技术交流增多，我国曾先后有原联邦德国.法国.意大利及丹麦引进了为数可观的塔式起重机产品，特别是 1984 年由法国 POTAIN公司引进的三种机型（H3/36B.F0/23B.GTMR360B）的生产许可证，极大地促进了我国塔式起重机产品设计制造技术的进步。通过消化吸收国外先进技术，对基础部件，如电动机.电器.回转支承.传动机构及安全装置等进行定点生产，一些生产主机的专业大厂还进行了相应的技术改造，增设钢材预处理生产线，从而使国产塔式起重机的质量迅速提高，一些主要机种已达到或接近国外同类产品质量水平。进入 20 世纪 90 年代以后，我国塔式起重机行业随着全国范围建筑任务的增加进入了一个新的兴盛时期，年产量连年猛增，全国塔式起重机总拥有约为 10 万台。塔式起重机出口业务曾一度极为兴旺。至此，无论从生产规模，应用范围和塔式起重机总量来衡量，我国均堪称世界首号塔式起重机大国。改革开放以来，国民经济的腾飞和投资规模的扩大，促进了建筑机械行业的不断发展，为塔机行业提供了良好机遇和发展空间。原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计2据有关方面提供的信息：我国西部开发建设、国家能源建设、煤炭基本建设、油田建设、住宅建设、城市地铁建设等众多项目，预计 20012005 年全社会固定资产投资规模约为 60000 亿元，用于购置建筑机械的费用每年约为 700 亿元左右，其中相当数额用于购置塔机。近几年来，我国的塔式起重机制造行业发展速度很快。出现了一大批塔机制造厂家，开发了系列化塔机产品，实现了产品更新换代，积累了不少经验，市场竞争局面逐渐形成，特别是我国加入 WTO 以后，国际竞争更趋激烈。为了塔机企业在竞争中立于不败之地，必须生产出质优价廉的产品。但是我们的塔机企业与国外先进企业相比存在一些不足之处，如产品档次低，质量不够稳定，产品结构单一，更新换代速度慢，技术管理与生产管理落后等，因而难以有效地满足市场不断变化的需求，也制约了企业的进一步发展。对比国外先进企业的经验，经过认真分析，我们认为：其中一个重要的原因是与企业对标准化工作的重视程度和标准贯彻力度不足有很大的关系。企业要使产品技术性能的先进性，结构的合理性，操作使用的可靠性得到持续改进，就必须不折不扣地达到标准的要求，并结合工艺技术的完善和管理水平的提高，使产品的制造成本逐步降低。因此塔机标准的采标、学习和贯彻工作就显得十分重要。1.2 国外塔式起重机发展概况据资料报道，目前生产塔式起重机的国家有：德、法、意、英、西班牙、丹麦、瑞典、南斯拉夫、波兰、捷克、俄、日等。国外著名塔式起重机工厂生产的塔式起重机多达 600 多余种型号，拥有塔式起重机的最多的是德国和俄国。20 世纪末 20 余年国外塔式起重机技术发展的主要特点是：(1)组合塔式起重机得到迅速发展 所谓组合塔式起重机，就是以塔身为核心，按结构和功能特点，将塔式起重机分解为若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循摸数制原理将各部分划分并设计成若干模块。根据参数要求，选用适当模块分别组拼成具有不同技术性能特点的塔式起重机，以满足施工的具体要求。(2)一些超重型塔式起重机相继问世 近年来，由于大功率电站.高坝，近海石油转井平台.天然气转井平台以及石油化工业工业的发展的需要，对重型和超重型塔式起重机提出了更多更高的要求。目前，幅度 7090m，最大起重量为 5060t, 起升高度100300m 的塔式起重机已非罕见。现今世界最大的超重型塔式起重机当推法国POTAIN 厂 2005 年推出的 MD22500 型塔式起重机，其最大幅度 100m 时的起重量为180t,起升高度为 99m。(3)适应都市改建需要的城市塔式起重机应运而生并得到发展城市闹市区改建工厂的特点是，场地狭窄，建筑基地面积小；建筑密度大，道路交通拥塞，塔式起重机回转障碍多；地质条件差，地下管道多；但道路交通不能中断，所在地区银行、商业银行、商业办公设施必须继续正常营业。为适应这种都市改建工程的特点，西方某些工厂率先推出 400700 KNm 级的城市塔式起重机。在德国，把这种适应在闹市施工需要的“城市改建塔式起重机”,简称为 E Crane、经济塔式起重机。其特点是：采用短平衡臂，便于在建筑密集地区进行架设、拆除、以避免在回转过程中与建筑物突出部分发生矛盾。采用尺寸可在 4m4m6m6m 范围内进行调节的 X 形底架，以利于在人行道上和马路旁安装固定。塔式起重机的塔尖（塔帽） 、转台、司机室、起升机构、回转机构、小车牵引机构、小车、吊钩滑轮、平衡臂以及臂架根部拼装成一个扩大组件。安装后，接通电源即可投入运行。运输方便快捷，一般只需三、四辆重型拖车便可将塔式起重机部件运至工地，并可立即交付安装。安装架设速度快，450900kNm 级 E 塔机借助液压伸缩臂汽车起重机作为安装辅机，在 46 天内可安装完成。采用较完善的调速、操纵系统和电子仪表。1.3 我国塔式起重机产品技术开发领域(1)为适应城镇兴建经济实用住房的需要，应积极发展工效高.投产便捷可与汽车吊竞争的 160250 kNm 级下回转快装塔式起重机的生产。与此同时，还应适当发展安装投产均比较简便的轮胎式轻型塔动两用起重机。(2)大力开发经济型城市塔式起重机。按额定起重力矩，这类塔式起重机分为三挡；450、600、1000 kNm，最大幅度 45、50、55m 。臂端起重量分别为 1、1.2、1.8t。主要用于大中城市见缝插针型的中高层或高层建筑的施工。原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计4(3)适应发展动臂式自升塔式起重机和折曲式两用臂架自升塔式起重机的生产，以适应塔式起重机出口市场和国内大中城市内某些特定工程和钢结构高层建筑施工的需要。(4)积极开发和完善采用变频调速系统的起升机构、继续完善小车变幅机构、回转机构，顶升机构，大车走行机构的调速系统，务使加速、减速均能平稳地变化，在突然刹车的情况下，无振动冲击现象。改变转向时能自动地减速。总之，应大力改进完善电控系统和调速系统，以提高塔式起重机工作平稳性、安全可靠性和生产效能。(5)为了开拓塔式起重机出口市场，迎接加入 WTO 后所面临的局面，今后推出的塔式起重机新产品必须按 ISO 有关规定对一些细部做法加以改进。例如：为防止起升机构卸载后出现的松绳、乱绳现象，应加设排绳机构；改进一些辅助设施（如防护栏、扶梯、踏步、大灯防护罩、司机室活动顶盖及窗栏、吊臂上的走道板等）的构造设计，完善其功能和固定的可靠性；改进小车变幅纲丝绳断绳保护装置，以保证其灵敏和可靠等。此外，按 ISO 规定：塔式起重机大车走行缓冲装置应通过可靠性实验，实验时车速不得小于 5m/s；起重力矩在 600 KNm 以上的塔式起重机，其悬挂式司机室悬挂高度不得低于 20m，司机室内不得设有容易触发工伤事故的物件。 ISO 换规定：司机室吊顶应平整，不得装有影响室内净平顶高度的物件；司机室，门洞必须采用耐火材料制作；司机室内应备有消防器材；全部安全装置均应附装压簧；对司机室的噪声，操纵台上的控制装置等 ISO 亦均有规定。总之塔式起重机新产品应力求满足上述要求。1.4 塔式起重机的特点本设计以我国自行生产的 QTZ63 塔式起重机为例，该机为水平起重臂架，小车变幅，上回转自升式多用途塔机，其最大工作幅度为 50 米，最大起重量为 6 吨，起重力矩符合最新塔式起重机基本参数。该机的主要特色有：(1)工作方式多，适用范围广。该机有无斜撑固定基础式、带斜撑固定基础式、外墙附着式等工作方式，同时还可以根据需要变换臂长为 44m、 38m,以适用于各种不同的施工对象。无斜撑固定独立的起升高度为 37.5m,附着式是在独立式的基础上, 增加标准节和附着装置而实现的，起升高度可达到 140m,特殊订货请与广东业豪机械制造有限公司联系。(2)工作速度高，调速性能好，工作平稳可靠。采用带有涡流制动器的三速电动机，使得起升机构获得理想的起升速度及荷重的慢就位。小车牵引机构装有电磁盘式制动器，使工作机构速度高且制动平稳可靠。采用液力偶合器和行星减速器驱动的回转机构，使得塔机回转起动、制动平稳，就位准确，安全可靠。(3)引进国外先进技术并国产化了的重量限制器、力矩限制器、高度限位器、幅度限位器、回转限位器、回转、牵引机构的制动器具等安全装置，以及小车防断绳、防断轴装置，使塔机能适用于各种不同的施工环境，确保塔机工作可靠。 (4)驾驶室采用先进的联动台操纵各机构动作，操作容易，维修简单。(5)设计完全符合或优于国家标准。2 设计任务书2.1 产品设计的依据、目的及意义无论国内还是国外，塔式起重机在现代化建设中都起作非常重要的地位。它是现代社会进步的一个标志，是人类建设不可缺少的重要设备，它的高效性、安全稳定性是塔机行业较普遍关心和注意的问题。在我国每年因塔机安全方面引起的伤亡事故较多，给不少的家庭和社会造成了严重的影响和巨大的损失。为了减少或避免事故的发生，在塔机整体设计中应综合考虑各相关参数，以人为本、安全第一的设计观点来进行各项设计。本设计以我国自行生产的 QTZ63 塔式起重机为例，该机为水平起重臂架，小车变幅，上回转自升式多用途塔机，其最大工作幅度为 50 米，最大起重量为 6 吨，起重力矩符合最新塔式起重机基本参数。在进行实地测量机器各部件的基础上绘制机构图。在保证能恢复原机的前提下拆分机器，拆卸前画出装配结构示意图，在拆卸的过程中不断修正，注意零件的作用和相互关系，进行零件的测绘并绘制装配图，在测绘的过程中，探索其构思过程和设计特点，吸取其技术精华，并对其不足之处进行改善，把自己的设计思想融入其中。2.2 产品的用途及适用范围该塔式起重机适用于高层大楼，居民住宅，高层工业建筑，大跨度工业厂房及采原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计6用滑模法施工的高大烟囱及筒仓等大型建筑工程中。 2.3 基本技术参数及性能指标QTZ63型塔式起重机的技术性能参数如表2-1所示表 2-1 QTZ63 塔型式起重机的技术性参数项目 单位 数值起重力矩整机质量（平衡重除外）kNm63026186最大起重量 t 6顶升速度 m/min 0.69起升高度 m 37.5起升速度 m/min 20最大回转半径 m 51.8顶升机构流量 l/min 10液压泵压力 MPa 20工作温度 -20402.4 顶升机构工作原理首先用起重吊钩将一个标准节吊起，使标准节上端水平斜腹杆中部置于引进小车吊钩上，然后用吊钩再吊起一个标准节，移动变幅小车至适当位置。准备顶升，先将油缸活塞杆缩回，把顶升横梁两端的销轴准确放进标准节的踏步口正中靠底，拆去下支座与标准节的全部连接螺栓，然后稍微向上顶升一点套架，再重复调整滚轮间隙至最佳状态，同时观察下支座与标准节的套管是否能对位比较准，如不准，应适当调整变幅小车位置。对位好后，继续顶升套架 1.4 米左右，使爬升销轴踏在相应标准节的踏步上（两爬升销轴必须处于水平状态并处于同一水平面上，并同时与标准节踏步贴合） 。爬升销轴踏好后，再缩回液压缸活塞杆，同时仔细观察左右爬爪与踏步的贴合情况以及受力构件有无异响、变形等异常情况（此时顶升横梁还在原踏步内） 。确认正常后，使顶升横梁两端销轴进入上面的踏步口中，确定顶升横梁两端的销轴都放进踏步口后，继续顶升套架约 1.6 米，人工通过引进梁和引进小车把引进钩上的标准节拉入至套架内塔身已固标准节正上方。而后，缓慢缩回液压缸活塞杆，同时使引进的标准节对正塔身已固标准节，落好后， （此时顶升横梁应继续放在踏步内） 。取下引进小车吊钩。将刚引进的标准节与塔身已固标准节用特制高强度螺栓连接起来，用双螺母紧固好。至此塔身加一个标准节的工作已完成，确认正常后，缩回活塞杆，进入上述工作循环，准备加下一个标准节的顶升作业。2.5 关键问题及其解决方案顶升作业的关键问题就在于一个标准节的高度为2.8m, 而液压油缸的行程为1.6m, 所以需要顶升两个行程才能加一个标准节。这就涉及到一个换步的问题，就是在第一次顶升1.4m后，通过爬升销轴踏在踏步内，平衡臂以及上部重量通过套架和爬升销轴转移到塔身标准节上，所以爬升销轴的强度以及套架的关键尺寸是本设计的重点问题。2.6 塔式起重机的构造金属结构主要包括：基础节、塔身标准节、套架、上下支座、过渡节、塔帽、起重臂、平衡臂、以及附着装置等。2.6.1 基础节塔身基础节主弦杆用角钢扣方而成，与其它型材组焊而成的整体框架结构，下端通过法兰与预埋基础底架用高强地脚螺栓相连，上端用 16 件 M30 高强螺栓与塔身标准节相连，基础节中心线尺寸为：166516652800。如图 2-1：图 2-1 基础节2.6.2 塔身标准节原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计8塔身标准节主弦杆亦是用角钢扣方而成，扣方的主弦杆与其它型钢杆件焊接而成，主弦杆中心线为：166516652800，每节之间用 16 件 M30 级特制高强螺栓联接。如图 3-2：图 2-2 标准节2.6.3 套架套架由套架结构、平台、栏杆、滚轮总成、爬升销轴等组成，安装套架时，开口方向应与标准节焊有踏块的方向相反，套架结构安装前应先装好滚轮，8 套滚轮应装在规定的位置。如图 3-3：图 2-3 套架2.6.4 塔帽塔帽是由角钢，方管、钢板等组焊成的斜锥体，上端通过拉杆使起重臂与平衡臂保持水平，下端用 16 支 M30100 螺栓与回转塔身连接，为了安装吊臂拉杆和平衡臂拉杆，在塔顶上部设有工作平台和滑轮组。2.6.5 起重臂起重臂是组合式可变结构,共分九节。起重臂上、下弦杆都是用两条角钢拼焊而成的方管，整个臂架为三角形截面，节与节之间用销轴连接，拆装方便，为了提高起重性能，减轻吊臂的重量，吊臂采用双吊点变截面空间桁架结构，在起重臂第一节放置小车牵引机构，在小车上设置有吊篮，便于安装与维修，臂架根部第一节与回转塔身用销轴连接。为了保证起重臂水平，在第二节、第六节臂设有两吊点，通过这两点与塔帽连接。起重臂在组装时，必须严格按照每节臂上序号标记组装，不允许错位或随意组装，起重臂最长为 50 米，根据施工要求也可以组装成 44 米臂长和 38 米臂，其中变 44 米臂长时，拉杆吊点位置不变；变 38 米臂长时拉杆吊点位置也不变。两组起重臂拉杆上端通过特制的销轴与塔帽耳板连接，其下端通过特制销轴分别与起重臂上弦杆的吊点销孔连接而将起重臂悬挂为水平形式。50 米臂组装顺序：1+2+3+4+5+6+7+8+944 米臂组装顺序：1+2+3+4+5+6+7+938 米臂组装顺序：1+2+3+4+5+6+92.6.6 平衡臂平衡臂为工字钢及角钢组焊而成的结构，分两节，用耳板销轴连接，平衡臂上设有栏杆及过道，尾部设置工作平台，平衡臂的一端用两根特制的销轴与回转塔身相连，另一端组合刚性拉杆同塔帽相连，尾部装有平衡重和起升机构，起升机构本身有独立的底座，用四根销轴平衡在平衡臂上，平衡重的重量随吊臂长度改变而变化，50 米臂时为 13 吨，44 米臂时为 12 吨，38 米臂时为 11 吨。平衡臂拉杆分两组，通过特制的销轴分别将塔帽和平衡臂尾部的拉杆耳板连接，将平衡臂挂至水平位置。2.6.7 上支座上支座上部用 16 个 M30100 高强度螺栓与回转塔身底部的法兰板连接，下部用36 个 M24 高强度螺栓与回转支承内圈连接，在上支座两侧对称地安装两套回转机构，安装在它下部的小齿轮准确地与回转支承外齿圈啮合。2.6.8 下支座原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计10下支座是上部通过回转支承与上支座连接，下部与塔身标准节和套架连接的金属结构，它主要是由钢板拼焊而成的，它的上部平面用 36 个 M24 高强度螺栓与回转装置的外齿圈连接，支承上部结构，下部四个支脚和四角平面分别用 16 套 M30100 高强度螺栓与套架连接，用 16 套 M30 级高强度螺栓与塔身连接。2.6.9 回转塔身回转塔身是用角钢扣方而成的主弦杆与其它形钢组焊而成的,上端用法兰与塔帽连接,下端通过法兰与上支座连接。2.6.10 驾驶室驾驶室为外挂式，其下部通过支承槽钢与上支座连接，如有特别要求，还可在司机室上部通过拉杆斜拉在塔帽主弦杆上，以使司机室更稳固。2.7 工作机构工作机构包括：起升机构、小车牵引机构及液压顶升机构等装置，分别简介如下2.7.1 起身机构QTZ63 塔式起重机采用了 YZTD225L2-4/8/32 三速带涡流制动电机，通过带制动轮的联轴器带动变速箱再驱动卷筒获得三种绳速，根据吊重再选择不同的滑轮倍率。当选用 2 绳时，速度可达到 10、40、80 米/分三种；若选用 4 绳时，则速度达到5、20、40 米/分三种。这样对于不同的起吊重量有不同速度，以充分满足施工要求。为达到启动和制动迅速又平稳，在电动机的另一端带有涡流制动器。在变速箱的输入轴联轴器上装有 YWZ315/45 型液压推杆制动器，起升机构不工作时，制动机构永远处在制动位置。在卷筒轴另一端装有高度限位器，高度取位器可根据实际需要的高度进行调整。 2.7.2 回转机构回转机构由两台 YZR132M-6/2.2kw 电机驱动。经液力偶合器带动小齿轮 ,从而带动塔机上部的起重臂、平衡臂等左右回转，其速度为 0.62rpm，由于采用液力偶合器联结，因此塔机在起动和制动中平稳无冲击。内置式电磁停止器可对塔机起重臂作精确定位，使得物品就位准确。2.7.3 小车牵引机构小车牵引机构是载重小车变幅的驱动装置，由 YDEJ132S-4/8 二速电机驱动，经由液力推动制动器，摆线针轮减速器带动卷筒，通过钢丝绳（619-7.7-170-I-甲-镀- 右交GB1102-74）使载重小车以 20/40 米/分的速度在臂架轨道上来回变幅运动。两牵引绳均一端缠绕后固定在卷筒上，另一端则固定在载重小车上，变幅时靠绳的一收一放来保证载重小车正常工作。3.设计计算说明书3.1 顶升机构液压系统的确定 1）顶升力的计算顶升力按顶升部件的总重力和顶升过程中的摩擦阻力计算。摩擦阻力和风阻力可取为被顶升部件总重力的 1020。上回转塔式起重机的顶升力(3.1)cosGFKa式中 顶升部件总重力;这里 ;附加载荷影响系数，通常取 ;K=1=1.顶升力与回转轴线的夹角。a起重机的顶升力 F 随塔身的接高而变化，即从 逐渐向 增大，顶升力 和回minFmaxF转轴线的夹角 3.8得顶升机构在最大负载 。=26kN2）顶升速度和功率 塔式起重机的顶升工作不频繁，因此顶升速度底。设计设计时，主要考虑安全性，可取 ,下放速度不宜大于顶升速度。0.5.13m/s顶升功率(3.2)cos4.310FvaP式中 顶升机构的机械效率， 取 ；.685v顶升速度（m/s）.v 取 0.011520.5kNGF原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计12得 p=4.3kw3）液压油缸的选型计算为适应不同液压设备的需要，液压设计有不同的压力级，一般根据液压设备的工作性质确定液压系统的压力。表 3-1 按主机类型选择执行元件工作压力机床主机类型磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械小型工程机械工程机械辅助机构液压机中、大型挖掘机重型机械起重机运输机工作压力 P(Mpa) 2 35 8 810 1018 2032根据上表暂选 20Mpa 作为初定液压系统的压力。图 3-1 油缸直径示意图(3.3)24DFPS式中 P油缸压强 这里 p=20MaD油缸直径要使所选油缸产生的推力能完成顶升过程，则必须 ，F推 顶可推出 4F/P=25.4F19.m顶顶根据液压传动表来确定活塞杆的直径表 3-2 液压缸活塞杆直径推荐值受压强,工作压力 P1(MPa)活塞杆受力情况受拉伸P15 5P17 P17活塞杆直径 d (0.10.5)d (0.50.55)d (0.50.7)d 0.7d由上表即可知活塞杆直径 d 与缸筒直径 D 成 d=0.7D 的关系=0.7D120=84m按 GB234880 将这些圆整成就近标准值时得： ; ;=125md90根据上面数据选择工程液压缸，型号为 HSG L01-125/90E-1 121-16001920液压油缸的流速 q ：(3.4)24DAv式中 D液压缸直径(m)顶升速度(m/s)v得 q=0.14/s8.6/minll4）液压泵的确定液压缸在顶升过程中最大工作压力为 ,P=FD18.0MPa顶如取进油回路上的压力损失为 0.8MPa，则液压泵的最大工作压力为：max18.0+.液压泵向液压缸提供的最大流速为 8.46l/min，若回路中泄露按液压缸输入10估计,则液压泵要提供的流速为：原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计14；maxq=1.8469.30l/min根据以上压力和流速的数据查阅产品目录，确定最后用 16GY14-1B 液压泵。该泵的总效率为 左右，则液压泵驱动电动机所需要的功率为：=0.7； Pq泵 泵（3.5）式中 液压泵的最大工作压力；P泵液压泵的最大流速；q泵根据此数值查阅电动机产品目录，选定 Y132S-4 型电动机，其额定功率为 5.5 kw。5）阀类元件及辅助元件的确定根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的实际流量，可选出这些元件的型号和规格，列于表 3-3 中3-3 液压元件表元件名称估计通过的最大流速 l/min型号额定流速l/min额定压力MPa高压柱塞泵 9.306 16GY14-1B 24 20高压溢流阀 10 YF-L32H 32 25压力表开关 K-6B 安全阀 10 AXQF-E10B 10 25三位四通换向阀 10 34DY-15BY 15 25低压溢流阀 10 Y-10B 10 25平衡阀 10 YF3-E10B 10 256）液压系统原理图及工作过程 13 9、13、20876、543、218012、12D、7649图 3-2 液压系统原理图液压顶升系统的工作，主要是靠安装在套架内侧面的一套液压油缸、泵、阀和油压系统来完成。当需要顶升时，由起重吊钩吊起标准节送进引入架，拆去塔身标准节与下支座的 16 个 M36 的连接螺栓，开动电机使液压缸工作，顶升上部结构之后借助操纵爬升销轴支持上部重量，收回活塞，再次顶升，这样两次工作循环可接一标准节。液压顶升过程的液压动力是这样传递的，当 Y132S-4 型 5.5kw 的电机开动时，带动油泵，输出 20MPa 的油压和 10l/min 流量液压动力。油泵供出的高压油进入手动三位四通换向阀，中间装有一支 Y-60 压力表，便于观察油压读数，手动换向阀为的是控制油液的进油和回油的方向，然后手动换向阀的液压油经过平衡阀送到油缸中去进行油缸的伸缩顶升工作。工作油缸的高压腔接有平衡阀，主要是防止起重机在自升过程中，由于油路系统故障引起起重机超速下降。3.2 塔式起重机顶升机构的设计过程作简单的描述如图 3-3：（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原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计16升过程起关键作用。图 3-3 顶升机构简图1）标准节踏步的设计工作过程如下：外套架上端以销轴连接下支座，标准节上焊接塔步，液压油缸安装在外套架的横梁上。油缸产生的推力通过顶升横梁作用在塔步上，靠反作用力将套架及套架以上部件向上抬起，超过标准节一半的高度后，靠爬升销轴卡在塔步上，将套架固定。油缸缩回带动顶升横梁跨在上一个塔步上，取下爬升销轴继续顶升。当下支座和已安装的标准节之间的空间足以放下一个标准节时，在外套架外部引入标准节，并与下一节标准接连接紧固。下面以 QTZ63 塔式起重机为例， 进行顶升机构的受力分析：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；（1）计算焊缝剪应力：踏步类似于建筑结构中的牛腿，图4是QTZ63塔s式起重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:; (3.6)226()()2Qehflmhfl 式中：Q 单踏步承受的顶升重量， ;05/=10Ne 轴头中心到焊缝型心的距离,112mmhf 焊缝高度，240mmlm 焊缝长度，14mm焊缝许用剪切应力，101.2MPa.图 3-4 踏步结构尺寸和受力图得 ，可以满足要求。=106.8MPa（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 , 21-0.418cd cdQERL（3.7）其中： ， 分别是轴颈和踏步的接触面圆弧部半径， ， ，1R2 1=9m230Q为单踏步承受的顶升重量， ;=1025NE弹性模量， ;52.10N/mL接触面宽度，28mm;踏步材料：Q235A，许用接触应力 . cd=76MPa得 ;cd=25MPa从计算上来看，计算应力小于许用应力，因此，不会有变形的可能。2）顶升横梁的载荷及强度计算除去踏步之外，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 3-5原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计18是 QTZ63 塔机的顶升横梁的结构图：图 3-5 顶升横梁结构图自升式塔机在顶升时，应使各部件的重心在落在顶升中心线上。通过计算配重的重量和调整吊重的位置来保证。经计算，QTZ63 塔式起重机的顶升包含以下部件：塔顶、平衡臂、平衡重、起升机构、平衡臂拉杆、司机室、起重臂、起重臂拉杆、变幅机构、载重小车、吊钩、上转台、回转支承、回转机构、下转台、半节、电气系统、标准节（共两节）、套架、液压系统等。总重量 。由于液压油缸中心线是倾G=205kN斜的，载荷 G 会产生水平分力，经计算，油缸中心线倾斜的最大角度为 3.8 度，水平载荷 Gy=Gtan(3.8)=13.656KN。由于顶升横梁上的油缸支脚间距为 100，应将载荷分解为两个相同的数值，单支脚垂直载荷 ，水平载荷 .zP102.5kyP6.82k图 3-6 是顶升横梁的主视图图 3-6 顶升横梁主视图其中的集中载荷 和 通过顶升横梁作用在两端的塌步上。从图上可以看出，我zPy们需要校核 AA 和 BB 两断面应力，BB 断面的剪切应力和两端轴颈的接触应力。根据材料力学的公式，经计算 AA 和 BB 两断面的弯距A 6YyM=P(1620/)5.1NmB 7Z-=30；6Yy(/)4.图 3-7 为顶升横梁的 A-A 断面图，可以用积分的方法计算出该断面的截面特性：图 3-7 顶升横梁 A-A 面断面图惯性距10AzIydydm抵抗距 5315.AZWIm620Y图 3-8 是顶升横梁的 B-B 断图面，同样可以用积分的方法计算该断面的截面特性：6. 2. 2740(37)Y y原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计20图 3-8 顶升横梁 B-B 面断面图惯性距 1614227400(55.).610BZIydydm. 6. 102642388.Y y抵抗距 531.BZWIm460Y由此可计算出两断面的应力：=/1.7325./1732=.MPaAYMaBZ/WY=95.8Pa应力叠加后;A20.Ma;B=678P顶升横梁的材料为 Q235A, 按载荷组合 B 计算许用应力，cd=276MPa许用抗压弯应力: ; s/1.345/.1.4许用剪切应力: ；.30.2a可见，顶升横梁的强度满足要求。轴颈断面接触应力：21cd cdPE(R-)=0.418L（3.8）其中： ， 分别是轴颈和踏步的接触面圆弧部半径，1R2， ，cd=40MPa=30mP 和 的合力, ;yZ2yzP=+107NE弹性模量， ;5.1/mL接触面宽度， ;8得 ； cd=34.9MPa按材料力学最基本的挤压计算方法:cdP=2RL（3.9）其中：R 为接触面半径， ；R=29mL为接触面宽度， ；L8P为 和 的合力, ;yZ2yzP+107N得 ；63.cdMa轴颈材料：30 调质，许用接触应力 ；cd=4MPa可见，无论用哪一种方法计算轴颈接触应力均能满足要求。3）爬升销轴的设计爬升销轴放入踏步内的简图如下图 3-9 爬升销轴受力简图踏 步原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计22这是一个悬臂梁，其中的集中载荷 P 为踏步作用在爬升销轴上的力。可以看出，A-A 断面受弯距最大，需要计算 AA 断面的弯曲应力和剪切应力： 销轴 AA 断面的弯距 ;6M=10258.10Nm销轴直径 50mm,面积 .2/49抵抗距 .33W5/7m由此可以计算，销轴剪切应力 ;=P/A5.7a弯曲应力 ;=/168a销轴材料： 40Cr 调质处理， ; ; 19M=345P所以销轴满足要求。4）顶升套架的设计QTZ63 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 2030 mm,使下转台与塔身节结合面刚刚分开。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。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：（1）标准节高度 H=2800mm；（2）踏步圆弧中心与标准节上下两平面的距离h1=470、h2=930；（3）标准节水平斜腹杆上平面到标准节上平面的距离 A=125mm 和水平斜腹杆的高度尺寸 B=50mm（4）下转台底面到水平腹杆下底面（引进梁上平面）的距离 D=265mm；（5）引进梁上平面到引进吊钩内腔的距离 E=308mm；（6）顶升横梁轴头与油缸支座中心距 F=3mm；（7）踏步外沿上平面到踏步底面的距离T=140mm；（8）踏步槽（顶升横梁轴头）半径 R=30mm。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：连接套长度 G=130mm；选用的高强度螺栓长度J=320mm、螺母厚度 K=20mm；踏步圆弧中心到踏步上下两平面的距离M=160mm、 N=120mm。设计可分四步来进行：引进梁 标准节上支座 顶升横梁 图 3-10 顶升机构关键尺寸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,L=E-D+(A+B)+H+30=304830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 =1593mm 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原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计24高不能超过标准节的上平面的原则，再由尺寸 3048 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 3268 mm。确定爬升销轴的位置确定爬升销轴位置的原则是：在顶升换步时与顶升横梁轴头不干涉；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：;maxU=P-QH/21693-4580/2=由于爬升销轴只在第一次顶升缩回油缸时将爬升销轴放入踏步内起支撑上部重量的作用，所以在本设计中将爬升销轴的位置与踏步槽中心定为 0。即在第一次顶升的时候顶两个踏步间的距离为 1400mm.由于油缸的行程为 1600mm,所以能满足要求。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：1minh=j-G+KN140; 2iM6所以准节上踏步圆弧中心距离标准节上平面 , 的尺寸合乎要求，1h=470293无须重新定位。根据平台定位原则确定上层平台距离套架上水平腹杆 1100mm,上下两平台间距为2000。这样人站在上下平台上便于操作。4.使用说明书4.1 顶升作业第一步：先将要加的几个标准节吊至塔身引入的方向一个个依次排列好，然后将大臂旋转至引进横梁的正上方，打开回转制动开关，使回转处于制动状态,用吊钩吊起一个标准节，放到引进横梁的吊钩上。这时塔式起重机的上部重心落在顶升油缸上的铰点位置上，最后卸下转台与塔身标准节的8 个 M30的连接螺栓，将顶升横梁两端的轴头放入塔身的踏步槽内。第二步：开动液压系统使活塞杆伸出2030mm。使下支座与塔身标准节结合面刚刚分开，然后将爬升销轴抽出后操纵液压系统使活塞杆继续伸出，大约顶升1.4米左右，使爬升销轴能准确的放入踏步槽内。第三步：这时操纵液压的换向阀，使活塞杆收缩，使顶升横梁的两端轴头能放在上一个踏步槽内，继续操纵液压系统顶升1.6米左右，使塔身上方刚好能装一个标准节的空间。第四步：将一节标准节通过引进横梁人工拉到塔身的正上方，对准标准节的螺栓连接孔，先将标准节下方的螺栓连接好。然后，缩回活塞杆至上、下标准节接触吻合后，用8个M30的高强度螺栓将标准节和下支座按一定的予紧力连接可靠。即完成一个标准节的加节过程。4.2 顶升过程的注意事项（1）顶升过程中必须利用回转制动器将吊钩锁住，严禁吊臂回转，保证起重臂与引入塔身标准节的方向一致。（2）加完一个塔身标准节后，若需吊臂回转，起吊下一塔身标准节，则必须使塔身各弦杆和下支座至少有一个 4 套 M30 高强度螺栓相连接。4.3 液压顶升系统的维护和保养（1）使用液压油严格按润滑表中的规定进行加油和换油，并清洗油箱内部。（2）溢流阀的压力调整后，不得随意更动，每次进行爬升之前，应用油表检查其压力是否正常。（3）应经常检查各部管接头是否紧固严密，不准有漏油现象。滤油器要经常检查有无堵塞，检查安全阀在使用后调整值是否变动。（4）油泵、油缸和控制阀，如发现渗漏应及时检修。原波：QTZ63 型塔式起重机顶升机构的研究及设计26（5）组装和大修初次起动油泵时，应检查入口和出口是否接反，转动方向是否正确。吸油管是否漏气，然后用手试转，最后在规定转速内起动和试运转。（6）在冬季起动时，要开开停停往复数次，待油温上升和控制阀动作灵活后再正式使用。4.4 一般说明（1） 起重机必须符合设计图纸规定的基础上工作。（2） 起重机的操作人员必须经过训练，了解机械的构造和使用，必须熟知机械的保养和安全操作规程，非安装、维护人员未经许可不得攀登塔机。（3） 起重机正常工作气温为20+40，风速低于 6 级。（4） 起重机每转移一次工地重新安装后，必须进行空载、静载、动载试验后方能进行吊装作业，其静载试验吊重为额定载荷的 125%，动载试验吊重采用额定载荷的110%。（5）在夜间工作时，除塔机本身备有照明外，施工现场必须备有充分的照明设备。（6） 司机室内禁止存放润滑油，油棉纱及其它易燃易爆物品。冬季用电炉取暖更要注意防火。（7） 起重机必须有良好的电气接地措施，防止雷击，遇有雷雨，严禁在底架的附近走动。（9）塔机应定机定人，专机专人负责制。非机组人员不得进入司机室和擅自操作，在处理电气事故时，必须有专职人员二人以上。4.5 起重机的塔身升、降作业说明（1） 在整个塔身升、降作业过程中，必须有专人指挥；专人照管电源；专人操纵液压系统；专人照管顶升横梁，塔身踏步和爬爪；专人紧固螺栓；专职司机操作塔机。非有关作业人员不得登机。（2） 升、降工作应在白天进行，若遇特殊情况，需在夜间工作时，必须备有充足的照明设备。（3） 只准在 4 级风以下进行顶升作业。如在作业过程中，突然遇到风力加大，必须停止工作，并紧固连接螺栓，使下塔身连接为一体。（4） 顶升前必须放松电缆，使电缆放松长度略大于总的爬升高度。（5） 升、降过程中，应把回转部分紧紧刹住，严禁回转及其它作业。（6） 在升、降过程中，如发现故障，必须立即停车检查，非经查明真相和故障排除，不得继续进行作业。（7） 每加高一节标准节，必须先把该节与塔身连接好后，方可继续加高下一个标准节，只能拆该节与塔身及下支座的连接螺栓。不得提前拆卸塔身的其它大螺栓。（8） 两个爬爪因一定时间内不用产生锈蚀或运输碰撞等原因，很可能不能自动恢复到水平状态，故在加进或拆除标准节时，必须事先对两爬爪进行仔细检查。（9） 塔身加高过程中两爬爪是自然翻过踏步的。而在塔身下降过程中，当顶升油缸收缸时应拉起爬爪以避过踏步。当顶升油缸需要换步时再用爬爪支承踏步。（10） 顶升横梁的两端顶升销，必须是两端放入踏步内，且与踏步良好地贴合。（11） 每次升降作业前后，必须认真做好准备工作和收尾工作，应对液压系统进行检查，作空载试车，检定安全压力，特别在顶升以后，各连接螺栓应按规定的预紧力紧固，不得松动，爬升套架滚轮与塔身标准节的间隙应调整好，操作杆应回到中间位置，液压系统的电源应切断等。4.6 起重机的操作必须严格执行 ZBJ80012-89塔式起重机操作使用规程的有关规定，司机必须是按劳动人事部门有关规定进行考核并取得合格证者。（1）司机必须在得到指挥信号后，方可进行操作，操作前必须鸣笛，操作时要精神集中。（2） 司机必须严格按起重机性