塔式起重设计生产技术漫谈
1、 引言
建筑行业的飞速发展，带动塔机产业的飞速发展，仅我省塔机生产企业就近100家，塔式起重机的设计技术和生产技术有了很大的提高，塔式起重机在使用过程中的事故率已经很少，但仍然存在着一些不尽人意的地方，下面就目前塔式起重机设计、生产、管理中存在的一些问题提出来和大家共同探讨。
2、塔机制造许可证管理中开发环节中存在的问题
塔机制造许可证的设计开发环节包括设计输入、设计输出、设计评审及设计确认，是一个非常完整的设计和开发质量控制程序，其中设计评审和设计确认是确保塔式起重机设计质量的重要且缺一不可的环节。我认为目前细则的要求还不能够确保产品设计的可靠性。关于这一点我们先分析一下细则的要求。1）细则中设计评审要求企业应对设计开发进行系统的评审，要求确保：a)评审的参加者应包括与评审内容有关的职能的代表；b)评审记录应予以保存。2）细则中设计确认要求企业对设计开发进行确认，要求确保a)产品能够满足规定的使用要求或预期用途的要求；b)确认记录应予以保存。此项可以提供不同型号的最大规格产品的形式实验报告代替。
评审程序中要求仅提出评审的参加者应包括与评审内容有关的职能的代表，这在某种程度上确保了评审过程的可信度、真实度。而没有对参加评审的技术人员没有提出要求，如果企业的设计开发能力不足（目前我国90%的塔机生产企业的开发设计能力不足）参加评审的人员专业知识不够高，设计评审难以真正实现产品评审的目的，确保产品设计技术的可靠度。设计确认可以提供不同型号的最大规格产品的形式实验报告。设计确认仅依靠提供不同型号的最大规格产品的形式实验报告我认为也不能完全产品质量的确认。形式实验报告包括对塔机尺寸参数、运动速度、安全装置、空载实验、额载实验、超载10%组合实验、超载25%静载实验、70%额载连续实验、外观质量、结构、可靠性试验等十一项，可以说是产品确认的一种很好的手段之一，仅靠此照样难以完成产品的确认。通过形式实验的产品仅仅说明了本台样机，不能说明该类产品完全没有问题。这是因为其一、产品检测只是对部分性能和零件的应力进行检测；其二所选检测的零件的部位难以确保是最危险件和该件最危险的部位；其三材料的承载能力不是恒定的，呈正态分布，所测的样机该零件无损害坏、无永久变形符合要求并不能说其他产品该零件符合要求；其四塔式起重机产品的工作条件相当复杂，与检测中的工作条件不尽相同。其五，缺少疲劳强度的校核。也正是如此，检测单位提出检测报告声明此报告提出仅对样机负责。要确保产品的可靠性不仅要有检测而且应结合检测报告请专家对设计计算报告进行全面细致的分析，予以确认。在这一点上我认为过去采用的产品鉴定是很好的一种形式，可以利用专家们的丰富知识和经验对产品的可靠性进行充分的评审和确认。
评审考核方法中提出行业联合设计的产品可不检查设计输入、设计评审、设计确认文件，这对无产品设计、开发能力的企业进行塔机生产提供了一个可能，这符合我们的国情（目前我国的塔机生产企业大多数没有设计开发能力）。但何为“行业联合设计的产品“没有定义，存在管理漏洞。如青岛某厂购买了某设计，设计中对产品连接套处的应力集中考虑不够充分，造成塔机在外载荷的作用下在连接套上部撕裂，造成了倒塔事故。说句实在话在计算机实体建模分析技术出现前，很难比较准确的计算出应力集中的影响。
评审考核方法中提出的对覆盖产品图纸应齐全，只有缺总图或部件图或者5%以上零件图，发证时不能覆盖。这里也存在漏洞，让部分企业认为只要购买一套最大规格产品的图纸，其它产品保证图纸齐全（不论是盗用、个人设计或是测绘的），且取得形式实验报告（检测单位没有义务落实产品技术来源的合理性）就是安全的，存在较大漏洞。漏洞之一也是关键，部分企业为降低成本通过一两次实验就大胆的降低材料，进行图纸更改，出现了巨大的事故隐患。之二，由于覆盖的图纸不查图纸来源，企业之间借用、盗用低价购买这种带有隐患的图纸被认为是可靠的图纸广为流传，以讹传讹，流毒匪浅。近两年就有不少企业出现事故后，临时抱佛脚。到富友公司请求帮忙，要求造假，让我们很是为难。从现在起我希望广大同仁防患于未然，让我们携手清除每个公司的非法来源图纸，提高我国的塔机水平。且末因小而失大，难为自己，难为别人。
3、产品设计技术的改进
随着塔式起重机设计生产技术、计算机技术的不断发展，塔式起重机的具体结构有了更深的了解，提出了很多改进措施，下面我谈一些近期经常出现事故的部分结构改进情况。在介绍之前我首先提出与常规计算理论不同的理论，此理论是我根据塔式起重机部分构件具体情况结合有限元建模分析结论提出的，是与钢结构规范一些规定相吻合的。常规的设计计算是按钢结构设计规范进行，在计算角焊缝受力时，通常假设被连接是绝对刚性的，而实际的塔式起重机构件中往往不同。应该对被连接件的刚性予以考虑。
1） 吊臂、塔帽等管板连接结构的改进
管板结构的连接通常采用的形式为a板挖槽式如图1 ，b管挖槽式如图2。这两种结构只要设计和焊接工艺合理从理论讲可以确保产品的可靠性。但近两年来频繁出现事故，对于图1类型，往往是由于应力过大和应力集中等原因出现从尖角处断裂。对于图2，由于管截面的削弱和应力集中的影响在连接处断裂。解决问题的办法有二：a加大材料减小连接处的应力，对于图1如果允许加封口板可以采用厚封口板并加大端部焊角尺寸或加大板厚、板宽。对于图2只有加大管材的厚度，是一种不经济的方案。B采用图3所示新结构。此种结构一方面利用外伸结构消除了材料截面减小造成的应力增加，另一方面减小了应力集中。是一种值得推广的一种结构形式。
2） 塔身连接套结构改进
在我国塔机的生产中塔身标准节主肢可分为管结构（方管和圆管）和单肢结构，标准节的连接广泛采用的高强度螺栓连接。管结构主肢连接套的形式常见有三种： 见图4、图5、图6。此种结构从形式上和板管连接很相似，图4的缺陷和图1板挖槽式相似，但受力情况却不同。图1一方面，槽边尺寸较小附加力小，另一方面力的传递是从槽根部开始的，焊缝应变越来越小，传力也越来越小，槽尖的附加弯矩产生的应力很小，可以不予考虑。钢结构设计规范规定当角焊缝的长度超过焊角高度的60倍，可以不再考虑焊缝传力。图4结构则相反，连接套上端将产生较大的附加弯矩，且对于不同的主肢结构，连接套孔中心到焊缝尺寸越大附加弯矩越大，而且此处构件刚度发生突变、力线发生弯曲有较大的应力集中，设计生产中应给予足够的重视，近几年由于重视程度不够发生过很多起事故。，图5和图2管挖槽式相似，主肢与板连接处主肢截面受到削弱，且也存在应力集中现象，设计和生产中也应给予足够的重视，采用图3的方法进行结构改进，不失是确保塔式起重机安全的一个好方法。图6结构不仅改变了传力方式，一方面使剪应力最大处和弯曲应力最大处错开，另一方面利用便截面使连接套顶部附加弯矩变小，而且改善了应力集中现象。除了制造工艺复杂外，是一个力学性能非常好的结构。对于单肢角钢结构的连接形式如图7，图中角钢的作用非同小可，过去不少同志只考虑此小角钢有防止焊接变形，忽略了具有减少应力集中，加强主肢角钢的作用。某些设计单位和生产单位甚至去掉了小角钢，改变了结构的受力造成塔机事故，在此提醒大家，切莫自以为是擅自改变设计。需知不合理的设计和更改设计造成塔式起重机事故是要负法律责任的。
3） 型钢拼接
塔式起重机技术条件规定承受交变载荷的重要构件不允许拼接，为此我们在塔式起重机设计和生产中主要受力构件尽可能避免拼接，但是有时型材的定尺长度满足不了设计的需要，必需进行拼接，另一方面考虑到材料的利用率往往我们也考虑拼接，这就需要我们考虑合理的拼接。所谓合理的拼接是指1）选择合理的拼接位置，尽可能选择受力较小的位置进行拼接。2）选择合理的拼接方法。关于型钢的拼接钢结构和金属结构有关书籍都有介绍，在此不作详细介绍，仅对平衡臂常用的材料槽钢的拼接进行介绍。在中小型塔式起重机中，平衡臂结构大多数采用槽钢作为主肢。在大多数生产厂家中都进行了槽钢的拼接，但是由于对塔式起重机平衡臂的受力不够清楚，选择的位置和拼接的方式不够合理，产生了一些塔式起重机事故。塔式起重机平衡臂在垂直平面内受力如图所示
在平衡臂根部载荷产生的弯曲应力和剪应力较小，平衡臂拉杆和起升机构的位置产生的弯曲应力和剪应力都较大。在回转平面内，由于回转起制动和风载荷作用，平衡臂根部载荷产生的拉压应力较大，平衡臂端部产生的拉压应力较大。在不同部分部分槽钢的拼接方法不同。原则上对主要承受剪应力的截面应该让腹板斜缝对接，翼缘直缝对接; 对主要承受弯曲应力的截面应该让斜翼缘缝对接，腹板直缝对接。同时进行焊缝的强度校核计算。若直缝对接焊缝的强度不足则需要加强，加强后由于存在应力集中需要进行疲劳强度的验算。通常在平衡臂拉杆和起升机构的位置附近槽钢尽可能不拼接若确要拼接通常采用腹板斜缝对接翼缘直缝对接并翼缘焊缝加强。其他部位剪应力较小主要承受弯曲应力和拉压应力通常采用翼缘斜缝对接腹板直缝对接。在此强调一下，即使采用上述原则进行拼接最好进行焊缝强度计算。如果大家因为有必要一个计算槽钢拼接的工具请会下和毛瑞年或李楠楠联系，如果需要量大下届富友研讨会编制软件包送给大家。
4） 格构构件应力集中
钢材在遇到空洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化或形状变化时，主应力线发生转折，在截面突变的处形成应力作用线密集和曲折，产生局部高峰应力，这种现象叫应力集中。这是以往我们从课本中学到的，在工程中给予了一定的重视，但对于格构式结构，当截面刚度发生突然变化时产生的“应力集中”，还没有引起人们的重视，在此提出来引起大家的重视。我们在有限元建模分析塔式起重机时我们发现，在转台下的标准节应力明显高于下面的标准节，无底架塔式起重机最下端标准节的应力明显高于上面标准节的应力。在实际工程中调查中发现发生破坏的也是此两节。为此我们很多工程技术人员，将底架和斜撑杆去掉做成埋半节或方架时，简简单单将独立高度降低为斜撑杆以上高度认为就安全了是错误的，希望大家认认真真作技术，让数字说话。
5） 构件刚度和力的分配
塔式起重机结构是一个有机的整体，动一发而动全身。我们塔式起重机设计这和生产者切莫自以为是在没有进行全面系统的力学分析前，根据自己的感觉任意更改设计，前段时间一塔机在使用过程中下转台底部的水平腹杆与主肢的端部焊缝开裂，经补焊后再次开裂，究其原因发现某工程师认为该机型的下转台太重太浪费，减小了下转台的用料，转台的刚度削弱了，产生了力的重新分配，加大了转台底部的水平腹杆的受力原来设计的转台底部的水平腹杆的焊缝难以满足其受力的要求，造成事故。
6） 超静定结构的焊接工艺
随着塔式起重机行业的发展，塔式起重机产品的竞争日益激烈，超静定结构已经由塔式起重机的双吊点吊臂向其他结构件发展，众所周知超静定结构比静定结构应力分配均匀，在同样外力的作用下若保证同样的应力和变形，超静定结构更省力，见我的另一篇论文，塔式起重机塔身若采用超静定结构保证同样的刚度和应力可节省材料1/4。但是其焊接工艺复杂，工艺不合理会造成巨大的内应力使产品处于危险状态。这也是超静定结构推广缓慢的原因之一。富友公司新近开发的部分产品引用了部分超静定结构，个别生产厂由于焊接工艺有问题便出现了腹杆断裂问题，各位技术工作人员在制定焊接工艺时一定考虑好焊接顺序，消除焊接内应力。
4、建议
在此，我们强烈呼吁规范设计市场，规范设计资质，对自己企业的产品技术来源进行一次普查，决不生产不达标的产品，不采用非法来源的技术，对有设计能力的企业要认真按照细则进行设计输入、设计输出、设计评审及设计确认程序进行，从根本上提高塔机生产业的制造水平，造福社会。
