超大型平头塔式起重机塔身标准节设计

1 前言1.1选题的背景[1]从目前的发展趋势来看，国外的城市型和中型塔机中平头塔机将逐步替代传统的塔机。

目前，国内生产平头塔机的阵营同样在迅速扩大，用户也在逐渐增多，但是和带有塔头的普通塔机相比差距巨大，同时由于建筑施工企业的使用习惯，我国平头塔机的广泛推广和应用尚需时日，相信随着我国平头塔机的不断发展和完善，可以预见, 具有独特优点的平头塔机必将在中国市场上得到广泛的推广和应用。

因此，如今平头塔机在国内外市场前景良好。

1.2选题的目的和意义随着建筑业的发展,塔式起重机(简称塔机)作为建筑施工的重要象征与主要运输机械,在建筑业得到了广泛应用。

作为大型设备,塔机的工作特点是根据建筑需要将物品在很大空间内升降和搬运,属于危险作业。

目前,在建筑施工中,由塔机引起的人员伤亡和设备事故屡禁不止,重大事故发生率居高不下。

如何提高塔式起重机的本质安全、合理地使用和管理塔机,让塔机更好地发挥作用,是建筑业亟待解决的难题之一。

塔身是平头塔式起重机的核心部分。

本课题在调研目前现有产品和相关技术资料的基础上，明确塔身结构型式和工作原理，在满足多种工况要求的条件下，从中选择合理方案，进行强度、刚度、稳定性设计和校核计算。

给出塔身标准节优化设计、绘出结构图纸。

2 平头塔式起重机国内外发展状况综述平头塔机和传统塔机的图片图1传统塔机（资料来源：互联网）图二平头塔机（资料来源：互联网）2.1平头塔式起重机的特点[2]2.1.1平头塔机的结构特点没有塔头和拉杆是平头塔机最显著的结构特征，这也是平头塔得名的由来。

由于这一特殊的结构形式才使平头塔与带塔头的塔机有了质的区别，这也决定了平头塔所特有的优点和缺点。

与带塔头、拉杆的水平臂小车变幅式塔机相比，平头塔吊臂的受力状况、连接方式明显不同。

立塔后无论是工作和非工作状态，平头塔吊臂和平衡臂上下主弦杆受力状态不变，上弦杆主要受拉，下弦杆主要受压，没有交变应力的影响，其力学模型单一、简明。

正是基于这一点，平头塔吊臂的连接设计才更简便，非常便于臂节之间的快速拆装，现代的平头塔吊臂大多采用正三角形截面的空间桁架结构主要也是考虑这一受力状况。

上弦杆靠一个销轴连接承受拉力，下弦杆则靠结合处的端面承受压力，这样下弦杆的连结方式非常简便，仅靠两个定位锁销并配锁止螺栓。

安装时先将上面的销轴连好，然后下落臂节，两锁销自动就位，穿上螺栓即可，臂节间主要靠上弦杆的一个大销轴连接，既省力又省时，这是平头塔机的特色之一。

2.1.2平头塔机的优点随着应用领域的不断加大人们逐渐发现了平头塔的许多优点，这是其它类型塔机所无法替代的。

近年来世界最著名的几大塔机制造商，如Potain\,Liebherr\,Terex、Kroll等[3]公司纷纷涉足平头塔领域，使平头塔成为一种新潮。

1)大大降低拆装塔机对所需起重设备起重能力的要求。

平头塔机由于取消了塔头，其单元质量小、安装高度低，最大安装高度可比同级的其它塔机降低10m 以上。

普通塔机安装吊臂时必须在地面上先将臂架、拉杆等全部连接好再进行整体吊装，此时对起重设备的要求最高，要有很大的起重量和起升高度。

因为臂根销轴连好后还要将大臂抬高许多才能将吊臂拉杆连好，安装吊臂拉杆时容易出现安全事故，而平头塔安装则彻底被改善。

平头塔的吊臂节通常有4m、5m或10m 节。

以50m长的吊臂为例，其最大单元质量只相当于吊臂总量的1/5左右，臂架在空中逐节拆装和整体吊装相比对起重设备的要求大大降低，不仅节省拆装费用，而且更加安全、快捷。

[4]2)适合于群塔交叉作业。

由于平头塔取消了塔头，当群塔交叉作业时每两台交叉的高度差通常可降到3m，而带塔头的塔机要10m以上。

平头塔群交叉作业总体高度可大大降低，则具有总体安装时间少、对安装设备的要求低、减小每台塔机的压重及采用较小的塔身截面和底架等优点。

3)适合对高度有特殊要求的场合施工。

平头塔没有塔头，吊钩的有效高度大为提高，空间利用率高，因此非常适合于对高度有特殊要求的场合，如机场的改扩建，机场旁的施工，隧道内、厂房内的施工，高压线下的施工等，而传统带塔头的塔机往往很难胜任。

4)适合于对幅度变化有要求的施工场合。

平头塔机臂节特殊的连接方式及没有塔头、拉杆，使其吊臂的逐节拆装非常简易、安全，施工过程中如需要改变吊臂的长度(加长或缩短)时都不用拆下整个吊臂，而在空中就可以完成臂节的加、减。

这种需要改变幅度的情形在电厂（站）的双曲线冷却塔施工中经常会遇到，当冷却塔建好后塔机通过双曲线最小孔径时，往往需要拆除部分臂节甚至是大部分臂节才能顺利将塔机降下。

普通塔机受拉杆的限制，吊臂只能拆掉吊点以外的臂节，要拆掉吊臂拉杆难度很大，这时采用平头塔就可以在空中很方便地任意拆掉臂节。

5)便于施工现场受限条件下的塔机拆装[5]。

如果受现场条件限制，汽车起重机无法靠近时采用平头塔无疑是最佳的方案。

因为平头塔独有的吊臂连接方式使整个臂架可以在空中逐节拆装，必要时可以直接从运输车辆上取放臂节。

由于单元臂节的质量较小，可以利用工地上已有的塔机安装其旁边的平头塔。

实际上拆卸塔机时现场受限的情况更加普遍，如带有裙楼的高层建筑，因种种因素塔机常立在裙楼里，一旦工程完工拆塔时受裙楼的限制，汽车起重机往往无法靠近，普通塔机拆卸大臂是个难题，而这种情况拆平头塔则容易得多。

6)吊臂钢结构寿命长、安全性高。

平头塔没有吊臂拉杆，其臂架的截面尺寸通常比同级别的普通塔机要大，尤其是截面的高度较大，则刚度较大，吊载时屈曲变形也较小。

国内用户担心平头塔没有拉杆不太安全可靠，但事实恰好相反，据国外司机反映，使用平头塔比普通塔机更加平稳，尤其在回转或紧急制动时，平头塔吊臂只受方向向下载荷的作用，比较简单；而普通塔机的吊臂还额外受到因拉杆作用而产生的水平和向上分力的作用。

另外，普通塔机因变幅小车位置的不同还使吊臂某一相同部位所受应力明显不同，综合作用的结果使吊臂主要受力杆件经常受到拉、压交变应力的作用，往往成为吊臂疲劳损伤甚至断裂及焊缝开裂的主要原因；而平头塔的吊臂在垂直和水平两个方向上都不受交变应力的作用，极大地提高了吊臂钢结构的使用寿命和安全性。

7)吊臂的适用性好、利用率高。

平头塔吊臂的设计便于实现模数化，这一点很重要。

对制造商来说，吊臂模数化可以大大降低设计和制造成本，从而降低平头塔价格；对用户来说，能充分发挥吊臂的灵活性和适应性。

如同系列不同级别平头塔的吊臂节可以互为利用，较大型号平头塔的端部臂节可以用作较小塔机的中间或根部节，这样可以增加塔机的吊臂组合，提高吊臂的适用性和利用率。

8)设计成本低[6]。

平头塔的设计省去了塔头、拉杆的设计和计算，而且吊臂的计算工况少、力学模型简单，计算量大大降低，计算结果更加接近实际值，便于进行模数设计，从而大大减少设计周期。

这一点对于生产厂家应付瞬息万变的市场、满足用户多种要求来说也至关重要2.2国外塔机发展简述平头塔机起源于欧洲，叫法源于flat-top tower crane 的译名[7], 也有叫无塔头式塔机(topless tower crane)的。

平头塔机的设计思想及雏形最早可追溯到20 世纪60 年代，当时法国Richier公司研制的塔机外形已接近于现在的平头塔机，例如其X1290 和GT系列塔机塔头较矮，通常不超过4m，只稍稍高于吊臂和平衡臂。

但严格来讲，这些塔机又不同于现在的平头塔机，尽管塔头较矮，但还是能区分出塔头、平衡臂、拉杆等。

真正的平头塔机诞生于1975 年，瑞典Linden 公司首次提出平头塔机的概念，并率先推出了Linden 8000平头塔机模数系统，不同型号平头塔机的吊臂可以互换。

Linden 平头塔机没有传统意义上的塔头，而且取消了拉杆，上部结构形状呈水平且均为刚性结构，没有传统塔机那种塔头、平衡臂、吊臂及拉杆之间的铰接连接方式。

可以说，Linden 平头塔机的出现揭开了平头塔机发展的序幕。

20世纪60年代至70年代,国外塔机的品种、型号和产量不断增加。

设计和制造塔机的主要国家有德、法、英、意、西班牙、丹麦、瑞典、俄罗斯以及美国和日本等。

比较著名的塔机厂家有德国的利波海尔公司、沃尔夫公司、法国的波坦公司及日本的小川公司等[8]。

2.3国内塔机发展简述我国生产塔机已有40多年的历史,经历了一个从测绘仿制到自行设计制造的发展过程。

在20世纪50年代,为了满足经济建设的需要,引进了前苏联和东欧一些国家的塔机,并进行了仿制。

60年代进入了自行设计与制造阶段,红旗2号塔机就是当时我国自行设计与制造的产品[9]。

1965年,我国已有塔机生产厂10余家,生产塔机360多台,这些塔机都是下回转动臂式的。

70年代我国塔机进入了设计水平提高、产品品种增多的阶段。

80年代以来,从法国等国家引进了塔机技术,从而使我国进入了塔机快速发展时期。

90年代我国的塔机业得到了蓬勃发展,无论是在先进性,还是在安全性、使用性能、技术性能等方面都有了极大的提高。

塔机产量已经达到7 000台左右(其中井架塔机约占一半),生产厂家达到300家左右,出现了一批生产国优名牌产品的厂家,如北京机械厂、四川建机厂、沈阳建机厂、哈尔滨工程机械厂、重庆建机厂、山东建机厂等[10]。

应当说国内塔机生产制造，从技术水平、产品质量、安全性能等方面，基本能达到国家规范和标准，满足使用要求。

但在结构和机构方面，都不同程度存在一些问题。

在塔机类型及结构方面，一些厂家特别是有一定规模的厂家，过多地重视生产规模，对产品的质量和服务质量不够重视，特别是忽视技术创新，产品的技术水平多年来没有大的提高。

一些厂家忽视“塔机安全性为第一位”的原则，盲目追求制造大吨位塔机，产品结构存在较大的安全隐患。

同时一些不具备制造技术及生产管控能力较差的小厂，其产品质量低劣，存在较大的使用安全隐患。

同时大多数厂家的产品型式比较单一，与国外先进水平有较大差距。

对塔机的智能化和安全预警，也缺乏必要的研发投入。

而对于结构材料的抗疲劳试验，更无一个厂家具备相应的技术设施和手段。

有的厂家过度注重生产规模，或者不具备必要的生产设施，塔机结构件的焊接质量不高，材料和结构基层不作喷丸除锈处理，喷涂质量不高。

这些普遍存在的问题，不仅造成行业技术水平落后，产品的性能和质量不高，还增大了塔机后期的使用成本[11]。

3塔机的主要参数和结构形式3.1主要技术参数[11]机构工作级别起升机构M5 回转机构M4 牵引机构M3起升高度（m）73 最大起重量( t ) 25幅度(m) 最大幅度(m) 80 最小幅度(m) 3.5起升机速度倍率α=2α=4起重量（t）12.5 6.25 1 25 12.5 2速度（m/min）0-27 0-53 0-80 0-13.5 0-27 0-40构电机型号功率QP2580A，63KW回转机构机构型号扭矩HPV145B1.130B 3*145N.M转速0-0.72 r/min牵引机构速度机构型号功率0-100 m/min BP110A11KW总功率96.5KW（不含顶升机构）3.2塔身结构形式[12]塔身是塔式起重机的主体，承载着起重机臂架的重量和载荷的重量。