油缸變幅動(dòng)臂塔式起重機(jī)移動(dòng)配重研究

王新聰，郭吉坦，潘志毅，白朝陽(yáng)

（1.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；3.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116024）

1 引 言

塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱塔機(jī)）配重的作用是使塔機(jī)前后平衡，減小塔身所受彎矩，改善塔身受力情況。動(dòng)臂塔機(jī)的配重有固定式和移動(dòng)式兩種，固定配重是將配重固定在平衡臂的尾部，配重對(duì)塔身的后傾彎矩保持不變，塔身承受較大的不平衡彎矩，容易發(fā)生疲勞破壞；移動(dòng)式配重是通過(guò)設(shè)置移動(dòng)配重機(jī)構(gòu)，根據(jù)臂架俯仰情況，調(diào)節(jié)配重位置，減小塔身受到的不平衡彎矩。采用移動(dòng)式配重的塔機(jī)塔身截面小，質(zhì)量輕，但是移動(dòng)式配重機(jī)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，往往需要添加輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，成本較高，而且安裝維護(hù)也不方便[1]。現(xiàn)有的采用移動(dòng)式配重的動(dòng)臂塔機(jī)其配重移動(dòng)方式主要有鋼絲繩移動(dòng)配重方式、平行四連桿移動(dòng)配重方式和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)移動(dòng)配重方式[2～4]。

油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)是以液壓油缸為變幅機(jī)構(gòu)，采用移動(dòng)式配重的動(dòng)臂塔機(jī)，是德國(guó)JOST公司專為英國(guó)市場(chǎng)開發(fā)的產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)研究。本文以油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)為研究對(duì)象，研究了其移動(dòng)配重的實(shí)現(xiàn)方式，給出了配重重量和起重性能的計(jì)算方法，并與同級(jí)別平頭塔機(jī)和固定配重動(dòng)臂塔機(jī)進(jìn)行了起重性能及塔身彎矩的對(duì)比分析。

2 油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)移動(dòng)配重設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu) 組成

油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)移動(dòng)配重機(jī)構(gòu)主要是由配重、平衡臂、起重臂和液壓油缸組成。如圖1所示，起重臂和平衡臂相連并鉸接于旋轉(zhuǎn)軸O處，配重懸掛于平衡臂尾部C處，液壓油缸上下鉸點(diǎn)A、B分別鉸接于起重臂和塔身的適當(dāng)位置。當(dāng)油缸伸縮帶動(dòng)起重臂繞旋轉(zhuǎn)軸做俯仰變幅運(yùn)動(dòng)時(shí)，平衡臂隨起重臂繞旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)配重移動(dòng)。

圖1 油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)配重移動(dòng)示意圖

2.2 移動(dòng)配重力學(xué)模型

油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)移動(dòng)配重的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)移動(dòng)配重力學(xué)模型

2.3 移動(dòng)配重計(jì)算

由圖2所示力學(xué)模型可得，塔身軸向力N和對(duì)回轉(zhuǎn)中心彎矩M的計(jì)算如下

塔身為壓彎桿件結(jié)構(gòu)，主要承受軸向壓力和彎矩[5]，塔身橫截面應(yīng)力

式中φ——軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)；

A——塔身截面面積；

W——抗彎截面系數(shù)。

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)按照塔身受載最小的原則確定配重質(zhì)量[6]。在配重設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使塔身截面應(yīng)力在塔身受最大前傾彎矩和最大后傾彎矩兩個(gè)工況下差值最小。

式中M1——塔身所受最大前傾彎矩，即塔機(jī)起吊額定起重量時(shí)塔身所受最大彎矩；

M2——塔身所受最大后傾彎矩，即塔機(jī)空載

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時(shí)臂架位于水平位置塔身所受彎矩；

N1、N2——兩個(gè)工況下塔身的軸向壓力；

σs1、σs2——兩個(gè)工況下塔身橫截面應(yīng)力；

Δσ——兩個(gè)工況下塔身截面應(yīng)力的差值。

公式(4)中，N1和N2的差值是定值為額定起重量Q1，所以當(dāng)M1＝M2時(shí)，Δσ的取得最小值，即最大前傾彎矩和最大后傾彎矩大小相等時(shí)，塔身截面上應(yīng)力的差值最小。故可得配重重量計(jì)算方法

式中Q1——額定起重量；

Rq1——最大前傾彎矩工況時(shí)吊物的幅度；

Rp1、Rz1、Rb1——最大前傾彎矩工況時(shí)平衡臂、配重和起重臂的重心位置至回轉(zhuǎn)中心的距離；

Rp2、Rz2、Rb2——最大后傾彎矩工況時(shí)平衡臂、配重和起重臂的重心位置至回轉(zhuǎn)中心的距離。

2.4 塔機(jī)起重性能曲線

影響塔機(jī)起重性能的因素有多種，其中臂架穩(wěn)定性和剛度、受力構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性、塔機(jī)傾覆穩(wěn)定性是影響塔機(jī)起重性能的主要因素[7]，本文僅考慮傾覆穩(wěn)定性決定的起重性能，起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性是指起重機(jī)在自重和外載荷作用下抵抗翻倒的能力。傾覆穩(wěn)定性計(jì)算的基本原則是穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩[5]。故可得塔機(jī)起重性能計(jì)算方法。

式中Qr——幅度Rq時(shí)的最大起重量。

3 實(shí)例分析

以JOST公司的TYP-JTL108.6油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算分析，并與同級(jí)別平頭塔機(jī)和固定配重動(dòng)臂塔機(jī)進(jìn)行起重性能及塔身所受彎矩的對(duì)比分析。假設(shè)3種塔機(jī)的最大工作幅度相同，最大工作幅度的起重量相同，起重臂和平衡臂重量相同，臂架和其他受力構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求。其塔機(jī)的主要參數(shù)見表1。

平頭、固定配重動(dòng)臂塔機(jī)的力學(xué)模型如圖3所示。

3.1 起重性能對(duì)比分析

油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)塔身受最大前傾彎矩工況為起重機(jī)工作幅度7.5m時(shí)，起吊額定起重量的工況；塔身受最大后傾彎矩工況為臂架位于水平位置時(shí)，空載工況。

表1 塔機(jī)主要參數(shù)表

圖3 平頭塔機(jī)和固定配重動(dòng)臂塔機(jī)力學(xué)模型

由公式(5)可得該型號(hào)油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)配重大小為22.8t。根據(jù)圖3所示力學(xué)模型，按上述配重計(jì)算方法計(jì)算得到了平頭塔機(jī)和固定配重動(dòng)臂塔機(jī)的配重大小分別為22.3t和12t。

按照抗傾覆穩(wěn)定性原則確定塔機(jī)的起重性能計(jì)算方法，并利用MATLAB編程繪制油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)、平頭塔機(jī)和固定配重動(dòng)臂塔機(jī)的起重性能曲線，如圖4所示。

圖4 塔機(jī)的起重性能曲線對(duì)比圖

由圖4可知，在最大幅度相同、最大幅度的起重量相同，且各主要部件質(zhì)量相同條件下，油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)的起重性能較平頭塔機(jī)和固定配重動(dòng)臂塔機(jī)略差，是因?yàn)橛透鬃兎鶆?dòng)臂塔機(jī)采用移動(dòng)配重，減小了塔機(jī)的穩(wěn)定力矩，降低了起重量，防止塔機(jī)傾覆。

3.2 塔身彎矩對(duì)比分析

分別對(duì)起吊2t重物和空載這兩種工況下3者塔身所受彎矩進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5a可知，油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)塔身所受最大彎矩最小，塔機(jī)所受彎矩變化最小，對(duì)塔身截面要求低，塔身截面小，質(zhì)量輕；由圖5b可知，空載時(shí)，油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)在最小幅度時(shí)塔身彎矩最小，塔機(jī)非工作時(shí)，臂架可仰起到最大角度，占用空間小。

圖5 塔身所受彎矩對(duì)比圖

4 結(jié) 論

1)最大工作幅度相同，最大工作幅度的起重量相同的條件下，油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)的起重性能較平頭和固定配重動(dòng)臂塔機(jī)略差，但起吊相同載荷時(shí)，塔身所受最大彎矩和塔身彎矩的變化最小，塔身截面小，質(zhì)量輕。

2)空載時(shí)，油缸變幅動(dòng)臂塔機(jī)塔身所受彎矩在最小工作幅度處達(dá)到最小值，因此，非工作工況時(shí)可將臂架仰起到最大角度，塔身彎矩小，占用空間少。

[1]屠鳳蓮,羅文龍.動(dòng)臂變幅塔機(jī)的配重同步移動(dòng)機(jī)構(gòu)[J].建筑機(jī)械，2010，(1)：91-92.

[2]劉杰海.對(duì)拉循環(huán)式動(dòng)臂塔機(jī)平衡重移動(dòng)裝置[J].建筑機(jī)械化，2010，（9）：64-66.

[3]張明勤，張瑞軍，李海青，等.動(dòng)臂式塔式起重機(jī)平衡重自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置[P].中國(guó)專刊：200720026287.0，2007-08-21.

[4]李力強(qiáng).丹麥K10000塔式起重機(jī)控制系統(tǒng)的改造[J].建筑機(jī)械化，2011，(8)：69-72.

[5]GB/T 3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]GB/T 13752-1992，塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]高順德,崔丹丹,滕儒民，等.動(dòng)臂塔式起重機(jī)起重性能曲線研究[J].建筑機(jī)械，2011，(3)：98-101.