塔機回轉(zhuǎn)力矩在設計中的控制比較

范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250000）

塔機回轉(zhuǎn)力矩在設計中的控制比較

范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250000）

通過對塔機回轉(zhuǎn)力矩組成的分析，對比在結(jié)構(gòu)和機構(gòu)設計時考慮的不同因素，考慮電機在起制動時對結(jié)構(gòu)的沖擊影響，運用電氣調(diào)節(jié)等措施，提出了一些控制方法，減少塔機的回轉(zhuǎn)力矩峰值，提高塔機的經(jīng)濟性和安全性。

塔式起重機；回轉(zhuǎn)力矩；制動時間

在塔機設計時，回轉(zhuǎn)力矩的大小與整機性能和環(huán)境有關。塔機性能中起升載荷、回轉(zhuǎn)速度等參數(shù)是預先設定的；環(huán)境因素的取值如風速，偏擺，效率等是由國家規(guī)范統(tǒng)一確定的。回轉(zhuǎn)力矩對結(jié)構(gòu)設計、電機選取和塔機附著都有很大影響。

塔式起重機設計手冊中對塔機回轉(zhuǎn)力矩的計算在結(jié)構(gòu)和機構(gòu)中有著不同的規(guī)定。在結(jié)構(gòu)設計計算時，塔機回轉(zhuǎn)力矩由風阻力矩，慣性阻力矩，偏擺力矩組成[1]。在機構(gòu)設計計算時，塔機回轉(zhuǎn)力矩由摩擦阻力矩，慣性阻力矩，坡道阻力矩和風阻力矩組成[2]。在相同的組成部分中，對風阻力矩和慣性阻力矩也有不同的計算參數(shù)選擇。二者計算出來的結(jié)果沒有必然的大小之分，但設計時可以通過一些控制方法減少塔機的回轉(zhuǎn)力矩峰值，從而降低塔機起制動時的沖擊載荷，降低對基礎和附著建筑物的要求，提高塔機的適用性和安全性。

1 回轉(zhuǎn)力矩的結(jié)構(gòu)算法

回轉(zhuǎn)風載荷主要由起重臂，平衡臂，機構(gòu)等各段風載荷組成，風載荷按PWII校核。計算各段風載荷，然后求和。在回轉(zhuǎn)中心兩側(cè)的起重臂和平衡臂風載荷方向相同，力矩方向相反。計算時考慮風力系數(shù)，擋風折減系數(shù)的影響。

起重機回轉(zhuǎn)起（制）動的水平慣性力，按其各部件質(zhì)量與該質(zhì)心的加速度乘積的φ5倍計算。其中可調(diào)的參數(shù)為加速度，當回轉(zhuǎn)速度確定時，可調(diào)節(jié)參數(shù)轉(zhuǎn)化為起（制）動時間。

臂架起重機回轉(zhuǎn)和變幅機構(gòu)起（制）動時的總起升質(zhì)量產(chǎn)生的綜合水平力（包括風力和回轉(zhuǎn)起制動產(chǎn)生的慣性力），也可以用起升鋼絲繩相對于鉛垂線的偏擺角引起的水平分力來計算。對結(jié)構(gòu)計算選用最大偏擺角計算，通常此值比由風載和水平慣性力計算結(jié)果略大。但由于其隨起升載荷的關系簡單明確，更容易實現(xiàn)參數(shù)化設計，所以一般用偏擺載荷計算

起重機結(jié)構(gòu)計算時塔機承受的回轉(zhuǎn)力矩M為

2 回轉(zhuǎn)力矩的機構(gòu)算法

塔機一般選擇滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承裝置，摩擦阻力矩按下式計算

起重機回轉(zhuǎn)平面與水平面成θ角，在回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生坡道阻力矩，按下式計算

起重機機構(gòu)計算回轉(zhuǎn)時需要克服的回轉(zhuǎn)阻力矩T為

3 結(jié)構(gòu)與機構(gòu)算法比較

對風阻力矩，作用在起重機上的工作狀態(tài)正常風載荷按PwI設計計算，且PwI=0.6PwII。機構(gòu)計算風阻力矩中不考慮起升質(zhì)量時，公式(8)簡化為

對起重機回轉(zhuǎn)起（制）動時的總起升質(zhì)量產(chǎn)生的綜合水平力計算電動機功率時用起重機正常偏擺角計算，此時風阻力矩和慣性阻力矩中即可不考慮起升質(zhì)量的影響。對起升質(zhì)量部分，回轉(zhuǎn)阻力矩修改為

實際上，起升重物回轉(zhuǎn)慣性力部分為0.25～0.3倍，工作狀態(tài)正常風載荷為最大風載荷的0.6倍，兩者相加后系數(shù)應該大于0.25～0.3。但電機作為動力元件，規(guī)范上推薦其選取力矩小于結(jié)構(gòu)可以承受的載荷是偏安全的。

起重機回轉(zhuǎn)綜合水平力計算時取φ5=1。同理，機構(gòu)計算對慣性阻力矩單獨考慮起升質(zhì)量后，公式（8）簡化為

此時起重機機構(gòu)計算回轉(zhuǎn)時需要克服的回轉(zhuǎn)阻力矩T′為

由公式(13)可知，結(jié)構(gòu)和機構(gòu)所計算包含項目不同，對應相同項目的取值也不同，但結(jié)構(gòu)分項計算后的數(shù)據(jù)可直接提供給機構(gòu)借鑒參考。結(jié)構(gòu)計算中不含摩擦阻力矩和坡道阻力矩，在機構(gòu)計算中這兩項約占8%～10%[3]，在機構(gòu)計算時可預修正一個系數(shù)進行設計。

4 電機選型對結(jié)構(gòu)的影響

通常情況下，起重機起制動時力矩峰值較大，此峰值與電機功率成正比，也是結(jié)構(gòu)校核的主要依據(jù)，是塔機設計的計算控制項。

電機功率選擇要考慮兩種條件。一種根據(jù)機構(gòu)穩(wěn)定運動的等效靜阻力矩、回轉(zhuǎn)速度和機構(gòu)效率計算機構(gòu)的等效功率。

則電機提供給結(jié)構(gòu)的最大等效回轉(zhuǎn)阻力矩為

另一種當機構(gòu)的靜阻力矩較小，將考慮電機平均起升轉(zhuǎn)矩倍數(shù)計算。

則電機提供給結(jié)構(gòu)的最大等效回轉(zhuǎn)阻力矩為

由此公式對比可以看出，雖然電機選取時風阻力矩減小，但慣性力矩和起升偏擺力矩增加了，且包含了摩擦阻力矩項，增加了幾種不同方法計算結(jié)果的不確定性。如不注意控制，則電機輸出的扭矩傳到結(jié)構(gòu)后將超出結(jié)構(gòu)的承載能力?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)設計時應優(yōu)選力矩電機，這樣能有效地控制電機輸出扭矩滿足設計要求。機構(gòu)設計時如果不能控制起制動力矩，控制摩擦阻力矩和坡道阻力矩效果不明顯，就應控制起制動時間和制動器的延時時間，以便結(jié)構(gòu)在摩擦和風阻的共同作用下，逐步降低回轉(zhuǎn)速度，從而降低回轉(zhuǎn)加速度，減少對結(jié)構(gòu)的影響。

5 實 例

某塔機最大額定起重量50t，對應幅度22m，回轉(zhuǎn)速度0.3r/min。查表的偏擺角度為αII=2°，起制動時間取5s，分別計算吊載時的結(jié)構(gòu)，機構(gòu)，穩(wěn)定運行和電機起制動時的阻力矩，結(jié)果如表1所示。

表1 塔機5s制動回轉(zhuǎn)力矩對比表

通過表1分析，對起升偏擺力矩，機構(gòu)按風載荷和回轉(zhuǎn)慣性力校核出來的力矩約為結(jié)構(gòu)校核數(shù)據(jù)的0.6倍，因此機構(gòu)選擇電機時按0.3倍選取時會降低對結(jié)構(gòu)的沖擊，對結(jié)構(gòu)有利；當制動時間較短時，電機起制動產(chǎn)生的力矩比結(jié)構(gòu)校核的力矩大，導致結(jié)構(gòu)校核不安全，對塔機來講是嚴重的隱患；電機起制動時的力矩遠大于穩(wěn)定運行的力矩，這對塔機設計是不合理的。

表2 塔機10s制動回轉(zhuǎn)力矩對比表

通過表2和表1對比分析，適當延長制動時間，電機需要的扭矩可以大幅減小，卻不會影響塔機穩(wěn)定運行速度。而且機構(gòu)，電機引起的起制動力矩都比結(jié)構(gòu)校核的小，塔機比較安全。

當進一步延長制動時間到20s，此時電機穩(wěn)定等效力矩為62.41tm，電機起制動回轉(zhuǎn)力矩為68tm，二者效果基本相同。塔機電機按此數(shù)據(jù)設計比較經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)校核也可以選取二者中較大項進行校核。此時起制動偏擺角將會遠小于2°，非常安全。

6 結(jié) 論

本文總結(jié)了塔機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設計和控制思路，提出了電機功率選取時最經(jīng)濟安全的方法，降低了回轉(zhuǎn)的力矩峰值，對降低塔機成本，提高結(jié)構(gòu)安全性有很大意義。

1) 塔機選型時應注意控制起制動力矩，電機及機構(gòu)制動器的力矩峰值應小于結(jié)構(gòu)校核的力矩最大值，這樣才能保證塔機的安全性。力矩控制的方法有延長制動時間，力矩電機限峰值，調(diào)整制動盤摩擦片的間隙等。

2) 回轉(zhuǎn)電機的選擇影響的是起制動時間，而不是回轉(zhuǎn)速度?；剞D(zhuǎn)速度與回轉(zhuǎn)機構(gòu)的減速比和回轉(zhuǎn)支承與小齒輪的傳動比有關，與電機扭矩關系很小。

3) 回轉(zhuǎn)電機選型設計時應兼顧電機穩(wěn)定等效力矩和電機起制動回轉(zhuǎn)力矩的平衡性，一般選型時起制動力矩略大于穩(wěn)定等效力矩，塔機校核時可選起制動力矩進行校核。

4) 對大型塔機起制動時間取10～20s比較合適。如制動時間不能滿足，應提前降速，然后制動，達到控制制動力矩的效果。

[1]GB/T 3811-2008，起重機設計規(guī)范[S].

[2]張志文.起重機設計手冊（第一版）[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3]李鵬舉，韋 清，范開英.大型平頭塔機回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率的確定[J].建筑機械化，2015,（5）：25-27.

(編輯 賈澤輝）

Control comparison of tower crane gyroscopic moment design

FAN Kai-ying, SHEN Lan-hua, SHI Hai-hong

TH212;TH213.3

B

1001-1366(2015)09-0030-03

2015-07-09