回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷對(duì)塔機(jī)性能的控制分析

沈蘭華，范開英，孟慶琳

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

塔機(jī)起升特性曲線的控制條件有很多，傳統(tǒng)校核以等控制力矩為條件，通過以近端最大額定起升力矩處或遠(yuǎn)端最大幅度處為代表性工作狀態(tài)計(jì)算，為塔機(jī)設(shè)計(jì)出起升性能曲線。隨著對(duì)建筑物覆蓋面的需要，同規(guī)格塔機(jī)越來越注重遠(yuǎn)端性能，有些塔機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)遠(yuǎn)端控制力矩大于近端控制力矩。當(dāng)控制力矩發(fā)生變化時(shí)，對(duì)回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷的全面校核非常復(fù)雜。

回轉(zhuǎn)支承作為塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要組成部分，不僅是功能部件，而且是結(jié)構(gòu)連接的重要安全部件?；剞D(zhuǎn)支承作為上部結(jié)構(gòu)和塔身的過渡配合，與整機(jī)的協(xié)調(diào)性是選型考慮的重要因素?；剞D(zhuǎn)支承不僅要考慮傾覆控制力矩，還要考慮對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)計(jì)算的影響，因其自身特點(diǎn)使起重機(jī)總設(shè)計(jì)者無法局部設(shè)計(jì)修改，只能通過選型校核控制。

樣本對(duì)回轉(zhuǎn)支承校核條件的規(guī)定不夠全面，設(shè)計(jì)人員對(duì)回轉(zhuǎn)支承的校核認(rèn)識(shí)不足，對(duì)塔機(jī)的安全性是巨大的考驗(yàn)；對(duì)潛力發(fā)掘沒有充分的設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)回轉(zhuǎn)支承的利用率也有待提高。隨著塔機(jī)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，塔機(jī)控制力矩應(yīng)體現(xiàn)隨幅度變化的細(xì)節(jié)，才能充分發(fā)揮功能模塊的實(shí)際性能，這需要精確的計(jì)算方法和參數(shù)化的手段提高設(shè)計(jì)的安全性和效率。

1 回轉(zhuǎn)支承選型樣本的計(jì)算條件

回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線有兩種類型。一類為靜態(tài)承載曲線，表示回轉(zhuǎn)支承保持靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)所能承受的最大載荷；另一類為回轉(zhuǎn)支承螺栓極限負(fù)荷曲線，它是在螺栓夾持長(zhǎng)度為螺栓公稱直徑的5倍，預(yù)緊力為螺栓屈服極限的70%時(shí)確定的。

主機(jī)廠可以根據(jù)產(chǎn)品樣本所提供的信息，利用靜承載能力曲線圖，按回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算方法選擇回轉(zhuǎn)支承。回轉(zhuǎn)支承選型計(jì)算時(shí)考慮靜態(tài)安全系數(shù)fs,軸向載荷Fa，徑向載荷Fr，傾覆力矩M。其中傾覆力矩M和軸向載荷Fa需要計(jì)算不同的組合工況。

以大型塔機(jī)選用三排滾柱式為例，靜態(tài)參照載荷的計(jì)算方法為

塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承校核示例中只有兩個(gè)工況，靜載實(shí)驗(yàn)工況，動(dòng)載工況。起重機(jī)代表工況有兩處，遠(yuǎn)端吊載和近端吊載，校核應(yīng)同時(shí)兼顧兩點(diǎn)。

最大工作風(fēng)壓下的最大工作載荷為

式中 Mk——起重機(jī)空載自重力矩；

G0——起重機(jī)自重；

Qi——起重機(jī)起升載荷。

不計(jì)風(fēng)力，考慮125%試驗(yàn)負(fù)荷的載荷

2 回轉(zhuǎn)支承實(shí)際工況的當(dāng)量載荷

靜態(tài)額定值原則上必須考慮到存在的最大載荷，這個(gè)載荷必須包括附加載荷和試驗(yàn)載荷。起重機(jī)實(shí)際工況組合比回轉(zhuǎn)支承選型示例考慮的因素多很多。以塔式起重機(jī)為例，計(jì)算組合[4]不僅包括有風(fēng)工作，靜載試驗(yàn)，還包括暴風(fēng)組合，裝拆組合，抗后傾覆組合工況等。

上述工作載荷未考慮偏擺的影響，對(duì)動(dòng)臂塔機(jī)，履帶起重機(jī)等設(shè)備，此載荷影響比風(fēng)載還大，不可忽略。公式（2）應(yīng)修正為

式中 Mp——起升載荷的偏擺力矩。

對(duì)普通塔機(jī)而言，雖然在整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了控制停機(jī)組合和抗后傾覆組合工況的危險(xiǎn)性小于起升動(dòng)載沖擊的工作組合，但規(guī)范中對(duì)這些工作條件還是單獨(dú)要求。通過大量的設(shè)計(jì)計(jì)算表明，抗后傾覆經(jīng)常比滿載工作更危險(xiǎn)，對(duì)回轉(zhuǎn)支承校核要單獨(dú)校核。

最大工作風(fēng)壓下的停機(jī)組合為

突然卸載工況下的工作組合為

對(duì)俯仰式臂架起重機(jī)，暴風(fēng)如果臂架不能采取有效避風(fēng)措施，則校核回轉(zhuǎn)支承時(shí)的組合為

式中 n——暴風(fēng)風(fēng)壓與工作風(fēng)壓之比。

回轉(zhuǎn)支承計(jì)算體系與起重機(jī)計(jì)算體系不統(tǒng)一，應(yīng)建立必要的聯(lián)系和判別條件加以控制。綜合上述可能發(fā)生各種狀態(tài)的當(dāng)量載荷，選取最不利的工況組合，才能全面校核回轉(zhuǎn)支承的安全性和利用率。

3 回轉(zhuǎn)支承控制力矩

回轉(zhuǎn)支承限制條件中的控制力矩與上部垂直載荷有直接關(guān)系，與幅度無直接關(guān)聯(lián)。但臂架式起重機(jī)的起升性能是隨幅度變化而變化的，上部載荷的大小隨幅度也跟著變化，即控制力矩與幅度有間接關(guān)系?；剞D(zhuǎn)支承在不同的上部載荷下，力矩承載能力也在變化，成正比關(guān)系；但對(duì)塔機(jī)幅度變化卻成反斜線關(guān)系，即幅度越大，當(dāng)量載荷的中的垂直力越小，控制力矩越小。

對(duì)回轉(zhuǎn)支承第一階段由螺栓群計(jì)算控制，塔機(jī)校核通常也在這一線段范圍內(nèi)。這條折線可近似為一條一次方程，通過插值計(jì)算求參數(shù)，將此控制力矩作為一條額定起重量的曲線可解出一個(gè)函數(shù)。引入載荷組合系數(shù)k表達(dá)在不同組合工況，如滿載工況，125%靜載試驗(yàn)，以及抗后傾覆反彈的通用公式。

取自重為參數(shù)，起升固定載荷部分（含吊鉤組，鋼絲繩等）與相應(yīng)幅度額定起重量之和與對(duì)應(yīng)幅度的乘積為起重臂設(shè)計(jì)的控制力矩，引入通用載荷參數(shù)MQ表達(dá)不同組合中偏擺，工作風(fēng)載力矩或暴風(fēng)力矩的影響。該起重力矩可得出一個(gè)與幅度相關(guān)的曲線

聯(lián)立公式（8）和（9）二方程，解得性能曲線的方程為

可得出受回轉(zhuǎn)支承限制的起升控制力矩與幅度的關(guān)系表達(dá)式

其中公式（10）作為起升性能曲線校核的通用精確表達(dá)式使用，公式（11）即充分發(fā)揮回轉(zhuǎn)支承性能時(shí)塔機(jī)傾覆控制力矩的通用精確表達(dá)式。

4 實(shí) 例

以某平頭1280塔機(jī)為例，最大額定起重量64t，對(duì)應(yīng)幅度20m，頭部集中載荷6.3t，對(duì)回轉(zhuǎn)支承工作風(fēng)載力矩22.5tm，上部非載荷部分自重為196t,空載力矩762tm。

對(duì)上述六種工況進(jìn)行分析，平頭塔機(jī)偏擺和暴風(fēng)在回轉(zhuǎn)支承部位影響很小，計(jì)算時(shí)本塔機(jī)遠(yuǎn)端力矩也小于近端，未單獨(dú)羅列。主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷計(jì)算表

工況1為工作載荷組合，工況2為125%靜載試驗(yàn)載荷組合，工況3為突然卸載組合，工況4為空載組合。通過比較可以看出，空載組合不一定比工作組合當(dāng)量載荷小；設(shè)計(jì)不周時(shí)，突然卸載也有可能比125%靜載試驗(yàn)力矩大。對(duì)其他類型的起重機(jī)，更應(yīng)該全面考慮。

對(duì)回轉(zhuǎn)支承取等控制力矩，得出控制條件為

由此條件的起升曲線方程為

分析可得，靜載試驗(yàn)工況為最危險(xiǎn)的載荷組合。查回轉(zhuǎn)支承性能曲線，插值公式（8）計(jì)算得

Mi=800+(196+1.25Qi)=996+1.25Qi

聯(lián)立公式（10）解得回轉(zhuǎn)支承控制的起升曲線方程為

二者比較如圖1所示。

圖1 不同控制條件下的起升特性曲線

下方曲線為等起重控制力矩確定的起升曲線，上方為回轉(zhuǎn)支承控制的起升曲線。從曲線上比較分析，對(duì)回轉(zhuǎn)支承的利用率還可以進(jìn)一步提升，起升性能還有較大的提升空間。精確計(jì)算為起重機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了可行方案，可充分發(fā)揮潛力，提升起重機(jī)性能。

5 結(jié) 論

1）回轉(zhuǎn)支承作為系列化標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)人員只能通過選型校核。傾覆控制力矩校核完成后，還應(yīng)通過軸向力、徑向力還有傾覆力矩校核回轉(zhuǎn)控制力矩，要對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大輸入扭矩對(duì)嚙合大齒輪的影響進(jìn)行校核，全部通過之后完成選型。

2）為提升參數(shù)化設(shè)計(jì)效率，應(yīng)將樣本回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷性能轉(zhuǎn)化為參數(shù)表達(dá)式，供起重機(jī)起重性能曲線設(shè)計(jì)使用，一般表達(dá)式可用線性代數(shù)式表達(dá)，精度不滿足要求時(shí)可分段表達(dá)。

3）回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量載荷校核條件很多，除樣本示例計(jì)算滿載工作和125%實(shí)驗(yàn)工況外，對(duì)空載、暴風(fēng)、突然卸載以及起重機(jī)可能發(fā)生的特殊工況也應(yīng)校核，盡量避免后傾力矩大于前傾力矩的情況，避免未校核工況大于校核工況狀態(tài)的發(fā)生。

4）起升特性曲線由起重機(jī)所有部件校核的最苛刻條件決定，在提升時(shí)應(yīng)考慮回轉(zhuǎn)支承的控制條件?；剞D(zhuǎn)支承限制的起升特性曲線提升空間可以借鑒本文提供的計(jì)算方法精確校核。通過回轉(zhuǎn)支承性能精確表達(dá)式的計(jì)算，對(duì)回轉(zhuǎn)支承的安全余量有了更明確的結(jié)論，對(duì)起重機(jī)的精細(xì)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 O

[1] 曲振波．關(guān)于塔機(jī)平衡重與起升特性確定方法的研究[J]．建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，1999，(5)：21-22.

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

[3] 張志文．《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第一版）[M].北京：中國鐵道出版社，2001：138-141.

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