文 献 综 述

一、塔式起重机概述

塔式起重机简称塔机或者塔吊，是一种机身为塔架式结构的全回转动臂架式起重机^[1]。任何一台塔式起重机，不论其技术性能还是构造上有什么差异，总可以将其分解为金属结构、工作机构和驱动控制系统三个部分^[2]。金属结构包括塔身、动臂和底座等。塔机的工作机构有五种：起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车走行机构(行走式的塔机)。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。塔式起重机的作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。由于塔式起重机能够靠近建筑物，在高层建筑施工中其幅度利用率比其它类型的起重机要高，可达到全幅度的80%。而普通履带式、轮胎式起重机的幅度利用率不超过50%，并随着建筑物高度的增加而急剧减小。因此塔式起重机在高层工业和民用建筑施工的使用中一直处于领先地位。应用塔式起重机对于加快施工进度、缩短工期、降低工程造价等方面起着重要的作用^[3]。

二、塔式起重机的研究现状及发展趋势

塔式起重机是一种塔身直立、起重机臂铰接在塔帽下部且能够作360#176;回转的起重机,通常用于房屋建筑和设备安装的场所,具有适用范围广、起升高度高、回转半径大、工作效率高、操作简便、运转可靠等特点。因此它在建筑安装施工中已经得到了广泛的应用,特别对于高层建筑施工来说,更是一种不可缺少的重要施工机械^[4]。

塔式起重机起源于欧洲。据记载，第一项有关建筑用塔机专利颁发于1900年。1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1923年制成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1930年当时德国已开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1941年，有关塔机的德国工业标准DIN8770公布。该标准规定以吊载(t)和幅度(m)的乘积(tm)一起以重力矩表示塔机的起重能力。

我国塔机行业己有近六十多年的发展史，开始的时候以引进为主，后来进行不断的仿制，最后进行自行设计，逐步形成了比较完整的体系，成为机械行业中增幅最快的新兴行业之一^[5]。

我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步,已有50多年的历史，经历了一个从测仿制到自行设计制造的过程。

20世纪50年代，为满足国家经济建设的需要，中国引进了前苏联以及东欧一些国家的塔式起重机，并进行仿制。这个时期中国生产与使用的塔式起重机的数量较少。

20世纪60年代，由于高层、超高层建筑的发展，广泛使用了内部爬升式和外部附着式塔式起重机，并在工作机构中采用比较先进的技术，如直流调速、可控硅调速、涡流制动器、在回转和运行机构中安装液力偶合器等。在此时期，中国开始进入了自行设计与制造塔式起重机的阶段。

20世纪70年代，塔式起重机服务对象更为广泛。塔式起重机的幅度、起重量合起升高度均有了显著提高。为了满足市场各方面的要求，塔式起重机又向一机多用方向发展。中国塔式起重机进入了技术提高、品种增多的新阶段。这一时期还先后开发了ZT100、ZT120、ZT280等小车变幅自升式塔式起重机、QT-20小车变幅内爬式塔式起重机，QTL16、TQ40、TQ45、TD25、QTG40、QTG60下回转动臂自行架设快装塔式起重机等，其年产量最高超过900台，标志着中国塔式起重机行业进入一个新的阶段。20世纪90年代以后，中国塔式起重机行业随着全国范围建筑任务的增加而进入了一个新的兴盛时期，年产量连年猛增，而且有部分产品出口到国外。全国塔式起重机的总拥有量也从20世纪50年代的几十台截至2000年约为6万台。至此，无论从生产规模、应用范围和塔式起重机总量等角度来衡量，中国均堪称塔式起重机大国 ^[6] 。

三、塔式起重机塔顶的组成结构及特点

塔顶是由角钢、无缝钢管、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4个销轴与回转塔身连接，为了安装起重臂拉杆和平衡臂拉杆，在塔顶上部设有工作平台和滑轮组。塔顶以固结或铰结的形式连接在塔机上转台上,通过拉杆分别与起重臂和平衡臂相连,承受臂架和其上部件的自重以及吊重、风载等载荷作用而产生弯矩、拉压力以及剪切力,受力状况较为复杂。近几年来塔顶失稳现象多有发生,并且常常是仅在塔顶部分发生结构性破坏。由此可见在塔机设计中,塔顶部分是一个较为薄弱的环节,其抗过载能力较差,因此有必要对塔顶结构进行分析研究,加强塔顶的强度与结构的稳定性,从而防止塔顶结构部分的破坏^[7]。

目前,国内应用较广泛的塔机塔顶形式主要是固定式塔顶，固定式塔顶受力清晰明确,结构虽然稍显复杂,但其平衡臂结构简单。

固定式塔顶的结构形式为空间桁架,其弦杆和腹杆均为实心圆钢或钢管,迎风面积和风力系数小,从而减少了水平风力,甚至可以不考虑风载荷对其的直接影响。固定式塔顶四根主弦杆下部由处于同一水平面内的4个接头以铰接或法兰盘连接形式与塔机上转台相连。根据固定式塔顶结构形式的不同分为前倾式、正置式和后倾式3种。

固定式塔顶塔机的平衡臂常做成片式结构,平衡臂和起重臂铰接于上转台,分别通过拉杆与塔顶顶部相连。同时必须注意:固定式塔顶4根主弦杆的中心线理论上应交于一点(通过制作工艺予以保证),起重臂、平衡臂拉杆的中心线理论上也必须通过该点,这样塔顶的受力状况较好^[8]。

塔顶的主弦杆上装有力矩限制器,但由于平衡重、臂架自重及机构重量引起的应变是一常数,不会对力矩限制器的工作产生影响,故力矩限制器只对起升平面内的超载力矩起防护作用。但是由于力矩限制器的调整和使用方面出现问题导致塔机的起重力矩过大而引起塔顶失稳,塔机倾翻、折臂的事故也多有发生,目前经济实用、精度也较好的弓形限制器已广泛应用于中小型塔机上。其固定在固定式塔顶后弦杆受内力较大的根部,以塔顶主弦杆受力的变化而引起弓形限制器张开度变化的原理来工作,从而起到过载保护的作用。

在塔机空载运转或非工作状态时塔顶受到后倾力矩的作用,塔顶前弦杆受拉、后弦杆受压;在工作状态时由于吊重产生的力矩较大,使塔顶受到前倾力矩的作用。由此可见,塔顶实际受到交变的载荷作用,塔顶的两个侧平面内也同样受到交变载荷的作用,因此为了保证塔顶的稳定性,即保证主弦杆有较小的长细比,则必须在这两个平面内加腹杆以形成几何构造不变体系。虽然在塔顶的前后两个弦杆平面内受到的载荷较小,但由于结构的要求也必须在两个平面内加腹杆^[9]。

四、本课题的目的（重点及拟解决的关键问题）

塔式起重机是指能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，具有动作间歇性和作业循环性，多用于人力不能完成的任务^[10]。塔式起重机(以下简称塔机)是一种重要的施工机械,由于具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便以及安装与拆卸简便等优点,已成为工程建设中的主要机种之一^[11]。自升式塔式起重机的塔顶是塔机的重要组成部分，它以固结或铰结的形式连接在塔机转台上，通过拉杆分别与起重臂和平衡臂相连，承受臂架和其上部件的自重以及吊重、风载等载荷作用而产生弯矩、拉压力以及剪切力，受力状况较为复杂。近几年来塔顶失稳现象多有发生，并且常常是仅在塔顶部分发生结构性破坏。由此可见在塔机设计中，塔顶部分是一个较为薄弱的环节，其抗过载能力较差，因此有必要对塔顶结构进行分析研究，加强塔顶的强度与结构的稳定性，从而防止塔顶结构部分的破坏^[12]。

五、本课题研究内容

1.查阅起重机设计规范和一些注意事项，并了解起重机的塔顶组成。

2.对起重机塔顶进行受力分析，并计算塔顶所受载荷，具体分别从以下三种工况分析：

（1）工况一：验算基本稳定性，塔机处于工作状态 静态、无风。

（2）工况二：验算动态稳定性，塔机处于工作状态，动态，有风。

（3）工况三：暴风侵袭，塔机处于非工作状态，风向由起重臂吹向平衡臂，且有向后翻的倾向^[13]。

根据以上的三种工况，合适地选用塔机各项参数，分别计算出塔机所能承受的风载荷、拉力载荷以及弯矩等，之后通过查阅钢结构基本原理选择合适的钢材料^[14]，根据机械设计手册选择合适的螺钉螺母^[15]，从而完成塔机塔顶所受载荷的计算。

3.查阅相关书籍，考虑焊缝的材料及尺寸，完成焊缝设计。

4.利用matlab软件对塔顶选用的钢材和零部件分别进行校核。

5.以塔机塔顶为研究对象，对在结构设计过程中容易忽略而产生安全隐患的进行分析，

进而提出详细的解决方案。具体从以下三个方面进行展开：

(1)对塔机的各种事故原因进行分析，尤其是塔机钢结构设计中所产生的不安全性进行

阐述分析，并提出在设计过程中应注意的因素。

(2)利用极限状态设计法对塔式起重机塔顶结构进行安全性分析，判断其安全性。

(3)对 QTZ100 平头式塔式起重机塔顶的关重联接进行分析，避免因联接件失效产生安全隐患^[16]。

6.对计算数据和校核结果进行综合分析，并得出最终结论，并总结在设计过程中所存在的不足之处，然后对塔机塔顶的设计结果进行展望。

六、本课题研究方法

1.塔机塔顶的设计计算部分

通过查阅中国知网有关塔机塔顶设计的有关文献资料，了解国内外塔机塔顶结构设计思路和设计方法，之后通过查阅塔机塔顶设计的相关书籍，及有关塔机塔顶设计标准，根据塔机塔顶的计算结果其所使用的钢结构材料和尺寸进行确定，完成塔机塔顶设的计算部分，为塔机塔顶的绘制打下基础。

2.塔机塔顶的图纸绘制

通过AutoCAD软件完成塔机塔顶的绘制工作，并对重要的零部件分别进行绘制。

3.塔机塔顶的计算结果校核

通过Matlab软件将具体的塔机塔顶尺寸进行输入，将公式编入Matlab软件中，

然后对塔机塔顶的设计尺寸及强度进行校核。

七、本课题研究意义

塔式起重机具有重心高，使用频繁且工作负载大，属于特种设备，稍有不慎则引起安全事故。一旦发生，则给国家和社会造成巨大的经济损失，甚至危及生命，每年都有不少塔机倾翻事故发生，其事故具有多样性及复杂性的特点^[17]。调查表明设计及制造质量低劣造成塔机事故的比例不小，做为塔机的源头，就更需解决安全性设计，在设计塔机的初期，安全性的分析与研究就显得更为重要。因此本课题的意义就在于通过对塔机塔顶的设计来最大限度降低塔机事故发生率^[18]。

若能够将本次毕业设计课题研究成果应用到实际生产中去，该组合塔式起重机开发成功，必然增强其市场竞争力。具体表现在：

（1）有利于提高塔机的利用率，实现塔机的生产价值。

（2）有利于适应不同用户的不同需要，提高塔机租赁业务的发展。

（3）促进塔机技术的发展^[19]。

参考文献：

[1] 陈黎明.塔式起重机结构分析与优化[J].文摘版:工程技术, 2015(7):239-239.

[2] 范俊祥.塔式起重机「M].北京:中国建材工业出版社，2004.

[3] 杨华平. QTZ100平头式塔式起重机结构安全性研究[C].2011.

[4] 沈科.塔式起重机普遍存在的安全隐患和防治措施[J].经营管理者, 2011(12X):382-382.

[5] K J Bathe. Finite Element Procedures in Engineering Analys is[J].

PRENTICE HALL 1982:13一16.

[6] 吴学松.中国塔式起重机市场50年回顾与展望[J].建筑,2008(4):65-67.

[7] 薛伟. 塔式起重机塔顶活动撑架的优化设计[J].山东建筑大学学报, 1987(2):52-61.

[8] Ghigliazza, R.M., Holmes. On the dynamics of cranes, or spherical pendula with moving supports. International Journal of Non-Linear Mechanics 2002 37 (6): 1211#8211;1221.

[9] 梁彦昌,田学坤,杨本校.自升式塔式起重机塔顶结构分析[J].建筑机械化,2003, 24(5):12-14.

[10] 山田弘道，佐多基之，崔圣模. 自升式塔式起重机的安全作业[J].起重运输机械, 1988(12):47-50.

[11] 刘晶.基于有限元法及工程选优一体化技术研究[J].太原理工大学，2006.

[12] 李继源. 上回转塔式起重机塔顶中心轴折断事故分析[J].起重运输机械, 1993(11):30-32.

[13] 胡健锋. QTZ100平头式塔式起重机起重臂疲劳特性分析[C],2012.

[14] 沈祖炎，陈扬骥，陈以一.《钢结构基本原理》 第2版. 中国建筑工业出版社, 2005.

[15] 吴宗泽，罗圣国.《机械设计课程设计手册》第4版. 高等教育出版社, 1992.

GB/T13752-1992塔式起重机设计规范[S].

[16] R ACETI, G BALLIO, A CAPSONI, L CORRADI. A limit analysis study to interpret the ultimate behavior of bolted joints[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2004,60(9): 1 333- 1 351.

[17] Posiadala, B., Influence of crane support system on motion of the lifted load[M], Mechanism and Machine Theory 1997 1: 9#8211;20.

[18] Al-Hussein, Mohamed ，Athar Niaz, Muhammad，Yu, Haitao,Kim, Hyoungkwan. Integrating 3D visualization and simulation for tower crane operations on construction sites [J].Automation in Construction,2006,5:554-562.

[19] Harold A, Rothbart. Mechanical Design Handbook[J].NewYork:McGraw-Hill Companies,1985.